P450-Catalyzed Regio- and Diastereoselective Steroid Hydroxylation: Efficient Directed Evolution Enabled by Mutability Landscaping

定向进化 羟基化 单加氧酶 立体选择性 区域选择性 饱和突变 化学 细胞色素P450 合理设计 蛋白质工程 突变 合成生物学 组合化学 催化作用 立体化学 突变体 计算生物学 有机化学 酶 生物化学 基因 生物 遗传学
作者
Carlos G. Acevedo‐Rocha,Charles G. Gamble,Richard Lonsdale,Aitao Li,Nathalie Nett,Sabrina Hoebenreich,Julia B. Lingnau,C. Wirtz,Christophe Farès,Heike Hinrichs,Alfred Deege,Adrian John Mulholland,Yuval Nov,David Leys,Kirsty J. McLean,Andrew W. Munro,Manfred T. Reetz
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:8 (4): 3395-3410 被引量:171
标识
DOI:10.1021/acscatal.8b00389
摘要

Abstract Cytochrome P450 monooxygenases play a crucial role in the biosynthesis of many natural products and in the human metabolism of numerous pharmaceuticals. This has inspired synthetic organic and medicinal chemists to exploit them as catalysts in regio- and stereoselective CH-activating oxidation of structurally simple and complex organic compounds such as steroids. However, levels of regio- and stereoselectivity as well as activity are not routinely high enough for real applications. Protein engineering using rational design or directed evolution has helped in many respects, but simultaneous engineering of multiple catalytic traits such as activity, regioselectivity, and stereoselectivity, while overcoming trade-offs and diminishing returns, remains a challenge. Here we show that the exploitation of information derived from mutability landscapes and molecular dynamics simulations for rationally designing iterative saturation mutagenesis constitutes a viable directed evolution strategy. This combined approach is illustrated by the evolution of P450BM3 mutants which enable nearly perfect regio- and diastereoselective hydroxylation of five different steroids specifically at the C16-position with unusually high activity, while avoiding activity–selectivity trade-offs as well as keeping the screening effort relatively low. The C16 alcohols are of practical interest as components of biologically active glucocorticoids.
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