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Design and evolution of an enzyme with a non-canonical organocatalytic mechanism

亲核细胞 遗传密码 生物催化 组合化学 催化作用 定向进化 化学 蛋白质设计 定向分子进化 组氨酸 有机化学 蛋白质结构 生物化学 反应机理 氨基酸 基因 突变体
作者
Ashleigh J. Burke,Sarah L. Lovelock,Amina Frese,Rebecca Crawshaw,Mary Ortmayer,Mark S. Dunstan,Colin Levy,Anthony P. Green
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:570 (7760): 219-223 被引量:136
标识
DOI:10.1038/s41586-019-1262-8
摘要

The combination of computational design and laboratory evolution is a powerful and potentially versatile strategy for the development of enzymes with new functions1-4. However, the limited functionality presented by the genetic code restricts the range of catalytic mechanisms that are accessible in designed active sites. Inspired by mechanistic strategies from small-molecule organocatalysis5, here we report the generation of a hydrolytic enzyme that uses Nδ-methylhistidine as a non-canonical catalytic nucleophile. Histidine methylation is essential for catalytic function because it prevents the formation of unreactive acyl-enzyme intermediates, which has been a long-standing challenge when using canonical nucleophiles in enzyme design6-10. Enzyme performance was optimized using directed evolution protocols adapted to an expanded genetic code, affording a biocatalyst capable of accelerating ester hydrolysis with greater than 9,000-fold increased efficiency over free Nδ-methylhistidine in solution. Crystallographic snapshots along the evolutionary trajectory highlight the catalytic devices that are responsible for this increase in efficiency. Nδ-methylhistidine can be considered to be a genetically encodable surrogate of the widely employed nucleophilic catalyst dimethylaminopyridine11, and its use will create opportunities to design and engineer enzymes for a wealth of valuable chemical transformations.
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