The importance of catalytic promiscuity for enzyme design and evolution

滥交 重新调整用途 定向进化 现存分类群 合成生物学 生化工程 化学 蛋白质工程 计算生物学 组合化学 生物 计算机科学 生物化学 工程类 生态学 突变体 基因 进化生物学
作者
Reuben B. Leveson‐Gower,Clemens Mayer,Gérard Roelfes
出处
期刊:Nature Reviews Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:3 (12): 687-705 被引量:329
标识
DOI:10.1038/s41570-019-0143-x
摘要

The ability of one enzyme to catalyse multiple, mechanistically distinct transformations likely played a crucial role in organisms’ abilities to adapt to changing external stimuli in the past and can still be observed in extant enzymes. Given the importance of catalytic promiscuity in nature, enzyme designers have recently begun to create catalytically promiscuous enzymes in order to expand the canon of transformations catalysed by proteins. This article aims to both critically review different strategies for the design of enzymes that display catalytic promiscuity for new-to-nature reactions and highlight the successes of subsequent directed-evolution efforts to fine-tune these novel reactivities. For the former, we put a particular emphasis on the creation, stabilization and repurposing of reaction intermediates, which are key for unlocking new activities in an existing or designed active site. For the directed evolution of the resulting catalysts, we contrast approaches for enzyme design that make use of components found in nature and those that achieve new reactivities by incorporating synthetic components. Following the critical analysis of selected examples that are now available, we close this Review by providing a set of considerations and design principles for enzyme engineers, which will guide the future generation of efficient artificial enzymes for synthetically useful, abiotic transformations. Enzyme designers can exploit catalytic promiscuity to unlock activities unknown to nature. This Review discusses how repurposing versatile reaction intermediates and creating new ones installs abiological activities into existing, designed and hybrid enzymes, and how directed-evolution strategies readily improve catalysts for these new-to-nature activities.
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