Engineering of a Baeyer‐Villiger monooxygenase to improve substrate scope, stereoselectivity and regioselectivity

单加氧酶 区域选择性 化学 Baeyer–Villiger氧化 饱和突变 立体化学 黄素组 基质(水族馆) 氧化还原酶 生物催化 氢键 立体选择性 组合化学 催化作用 有机化学 反应机理 生物化学 突变体 生物 分子 细胞色素P450 基因 生态学
作者
Xu Li,Congcong Li,Ge Qu,Bo Yuan,Zhoutong Sun
出处
期刊:ChemBioChem [Wiley]
卷期号:25 (13)
标识
DOI:10.1002/cbic.202400328
摘要

Baeyer-Villiger monooxygenases belong to a family of flavin-binding proteins that catalyze the Baeyer-Villiger (BV) oxidation of ketones to produce lactones or esters, which are important intermediates in pharmaceuticals or sustainable materials. Phenylacetone monooxygenase (PAMO) from Thermobifida fusca with moderate thermostability catalyzes the oxidation of aryl ketone substrates, but is limited by high specificity and narrow substrate scope. In the present study, we applied loop optimization by loop swapping followed by focused saturation mutagenesis in order to evolve PAMO mutants capable of catalyzing the regioselective BV oxidation of cyclohexanone and cyclobutanone derivatives with formation of either normal or abnormal esters or lactones. We further modulated PAMO to increase enantioselectivity. Crystal structure studies indicate that rotation occurs in the NADP-binding domain and that the high B-factor region is predominantly distributed in the catalytic pocket residues. Computational analyses further revealed dynamic character in the catalytic pocket and reshaped hydrogen bond interaction networks, which is more favorable for substrate binding. Our study provides useful insights for studying enzyme-substrate adaptations.
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