Divergent evolution of fungal P450 monooxygenase unlocks simultaneous access to C12β and C15α oxyfunctionalization of steroids

单加氧酶 发散合成 羟基化 毕赤酵母 细胞色素P450 化学 计算生物学 定向进化 底物特异性 类固醇 生物化学 生物 毕赤酵母 基质(水族馆) 真菌蛋白 组合化学 蛋白质工程 亲缘关系 酶 钥匙(锁) 生物催化 分子进化 结合亲和力 基因 加氧酶 生物转化
作者
Ling Wang,Ying Wang,Xiaogang Peng,Chenghua Gao,Xinfang Wei,Peng Chen,Pan Xiao,Qian Li,Aitao Li
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 10713-10713 被引量:1
标识
DOI:10.1038/s41467-025-65736-6
摘要

Steroidal C12β/15α-hydroxylation are pivotal in synthesizing steroid drugs but remain challenging via chemical and biological methods. To address this, structure-guided divergent evolution is applied to the fungal P450 monooxygenase CYP68J5_fg. Two optimized variants, W12M5 (F107S/Q112R/N295T/V299T/R368K) and W15M4 (Q112C/D126V/V299L/A362M) are created, achieving high selectivity (97.7% for C12β- and 99.6% for C15α-hydroxylation of progesterone) alongside enhanced catalytic efficiency, effectively overcoming the classic activity-selectivity trade-off. Molecular dynamics simulations reveal that key mutations reorient the substrate by reshaping the binding pocket's polarity and hydrogen-bonding network, enabling hydroxylation at distinct positions. High-density fermentation with engineered Pichia pastoris yields titers of 4.6 g/L 12β-OH progesterone, 10.9 g/L 15α-OH progesterone and 14.1 g/L 15α-OH androstenedione. These products serve as key intermediates for streamlined synthesis of C12-/C15-functionalized steroids such as drospirenone and C-nor-D-homo derivatives. Collectively, this study demonstrates the successful divergent evolution of a fungal P450, a strategy which has so far not been reported in the literature, highlights its broad applicability for the scalable synthesis of complex bioactive molecules.
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