Development of Engineered Ferredoxin Reductase Systems for the Efficient Hydroxylation of Steroidal Substrates

铁氧还蛋白 羟基化 甲酸脱氢酶 化学 脱氢酶 还原酶 大肠杆菌 单加氧酶 双加氧酶 生物合成 立体化学 催化作用 生物化学 格式化 细胞色素P450 基因
作者
Zhangliang Zhu,Xin Gao,Zhan Song,Chao Li,Fuping Lu,Masaru Tanokura,Hui‐Min Qin
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:8 (44): 16720-16730 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.0c07042
摘要

9α-Hydroxy-4-androstene-3,17-dione (9OHAD), formed by the 9α-hydroxylation reaction catalyzed by 3-ketosteroid-9-hydroxylase (KSH), is an important precursor for the synthesis of adrenocortical hormones. KSH, a key enzyme complex in microbial steroid catabolism, contains a Rieske oxygenase (KshA) and a ferredoxin reductase (KshB). In this study, first we determined that the activity of KshB was rate-limiting in 9OHAD production. Thus, several potential alternative reductases were screened; a toluene 2,3-dioxygenase (TDO) reductase showed the highest activity toward NADH. In pathway optimization, the addition of a Rieske [2Fe–2S] cluster to KshB or TDO resulted in improved 9OHAD yields, which implies an improved efficiency of electron transfer. A sufficient supply system of NADH was ensured by introducing formate dehydrogenase (FDH) to construct an NADH regeneration system. The biosynthesis of 9OHAD was then optimized in a whole Escherichia coli cell catalysis system expressing FDH, KshA, and a variant of TDO reductase containing five point mutations and an added Rieske [2Fe–2S] cluster, which resulted in the final production of 5.24 g/L 9OHAD from 4-androstene-3,17-dione with 99.3% yield. This research provides detailed insight into the electron-transfer system for steroid hydroxylation reactions.
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