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Structure-Guided Engineering of CYP109B4: From Monooxygenase to Peroxygenase for Selective Steroid Hydroxylation

化学 类固醇 羟基化 单加氧酶 过氧化氢 突变 辅因子 蛋白质工程 生物化学 组合化学 合理设计 催化作用 立体化学 部分 细胞色素P450 醇脱氢酶 生物催化 机制(生物学) 动力学 电子转移 对接(动物) 定向进化 劈理(地质) 活动站点 酶催化 氧化还原酶 细胞色素 催化循环
作者
Xiao-Dong Zhang,Yongchao Wang,Xiaoqing Jiang,Di Deng,Qian Li,Binju Wang,Aitao Li
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:73 (47): 30417-30428
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.5c11530
摘要

Cytochrome P450 CYP109B4 is a characterized 16β-steroid hydroxylase with significant potential in steroid drug biosynthesis, but its application is limited by reliance on costly coenzymes and complex electron transfer processes. To address this, we constructed a hydrogen peroxide (H2O2)-driven catalytic system through structure-guided engineering. Screening a combinatorial variant library identified the L240V/S387F double mutant, which exhibited emergent peroxygenase activity (baseline TTN = 11). Using focused rational iterative site-specific mutagenesis (FRISM), we obtained optimized variant B4-Pm9 exhibiting a 4-fold higher total turnover number (TTN = 44). Coupling with an alcohol dehydrogenase (Aldo)-based H2O2 regeneration system further enhanced catalytic efficiency, achieving a TTN of 348 (31-fold improvement over L240V/S387F mutant). Computational studies revealed the H2O2 activation mechanism in Pm7 and Pm9. Notably, variant B4-Pm7 demonstrated a novel mechanism of H2O2 cleavage mediated by the "alcohol-hydroxyl" moiety, showcasing a significant breakthrough in the realm of P450 peroxygenase.
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