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 酶 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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