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Enzymatic hydroxylation of an unactivated methylene C–H bond guided by molecular dynamics simulations

化学 选择性 基质(水族馆) 双环分子 反应性(心理学) 羟基化 立体选择性 组合化学 生物催化 立体化学 亚甲基 分子动力学 计算化学 有机化学 反应机理 医学 海洋学 替代医学 病理 地质学 催化作用
作者
Alison R. H. Narayan,Gonzalo Jiménez‐Osés,Peng Liu,Solymar Negretti,Wanxiang Zhao,Michael M. Gilbert,Raghunath O. Ramabhadran,Yun Yang,Lawrence R. Furan,Zhe Li,Larissa M. Podust,John Montgomery,K. N. Houk,David H. Sherman
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:7 (8): 653-660 被引量:104
标识
DOI:10.1038/nchem.2285
摘要

The hallmark of enzymes from secondary metabolic pathways is the pairing of powerful reactivity with exquisite site selectivity. The application of these biocatalytic tools in organic synthesis, however, remains under-utilized due to limitations in substrate scope and scalability. Here, we report how the reactivity of a monooxygenase (PikC) from the pikromycin pathway is modified through computationally guided protein and substrate engineering, and applied to the oxidation of unactivated methylene C–H bonds. Molecular dynamics and quantum mechanical calculations were used to develop a predictive model for substrate scope, site selectivity and stereoselectivity of PikC-mediated C–H oxidation. A suite of menthol derivatives was screened computationally and evaluated through in vitro reactions, where each substrate adhered to the predicted models for selectivity and conversion to product. This platform was also expanded beyond menthol-based substrates to the selective hydroxylation of a variety of substrate cores ranging from cyclic to fused bicyclic and bridged bicyclic compounds. The reactivity of a monooxygenase (P450 PikC) has been modified through protein and substrate engineering, and applied to the oxidation of unactivated methylene C–H bonds. The protein engineering was guided by using molecular dynamics and quantum mechanical calculations to develop a predictive model for substrate scope, site selectivity and stereoselectivity of the C–H hydroxylation.
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