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A programmable bifunctional flavoenzyme for direct amine-to-ester conversion

双功能 化学 催化作用 胺气处理 催化循环 组合化学 氧化磷酸化 氧化脱氨基 脱氨基 合并(版本控制) 蛋白质工程 氢化物 活动站点 统一 合理设计 模块化设计 定向进化 等甾体 双功能催化剂 氧化还原 还原消去
作者
Yaoyun Wu,Wei Song,Wanqing Wei,Li Liu,Jing Wu
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:12 (25): eaef2491-eaef2491
标识
DOI:10.1126/sciadv.aef2491
摘要

The unification of mechanistically distinct oxidative transformations within a single enzyme active site represents a long-standing challenge in biocatalysis. In particular, flavin-dependent oxidative deamination and Baeyer-Villiger oxidation have remained evolutionarily and mechanistically segregated, raising fundamental questions as to whether their catalytic cycles can be coherently integrated without mutual interference. Here, we report a bifunctional ancestral flavoenzyme, AncFO-221, reconstructed using a function-oriented ancestral sequence reconstruction strategy, which enables direct amine-to-ester conversion within a single active site. Combined experimental and computational analyses reveal a unified catalytic framework in which histidine-assisted proton and hydride transfer during amine oxidation is intrinsically coupled to C 4a -peroxyflavin–mediated oxygen insertion, establishing a continuous amine oxidation-Baeyer–Villiger oxidation (AO-BVO) reaction cycle rather than a fortuitous cascade. Guided by this mechanistic unity, modular protein engineering produced an optimized variant, M15, exhibiting an ~18-fold enhancement in catalytic efficiency, near-complete suppression of reductive side reactions, and lactone yields up to 93%. Notably, the engineered enzyme displays programmable and unconventional regioselectivity, preferentially migrating weakly migratory groups across structurally diverse amines, thereby overriding the classical Baeyer-Villiger migratory rule. This study demonstrates that ancestral reconstruction combined with mechanism-guided evolution can merge evolutionarily segregated chemistries into a single, tunable catalytic platform, providing a generalizable blueprint for the design of multistep oxidative biocatalysts.
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