Enabling Peroxygenase Activity in Cytochrome P450 Monooxygenases by Engineering Hydrogen Peroxide Tunnels

化学 单加氧酶 蛋白质工程 血红素 细胞色素P450 过氧化氢 血红素蛋白 基质(水族馆) 定向进化 组合化学 分子工程 立体化学 生物化学 有机化学 突变体 生态学 基因 生物
作者
Panxia Zhao,Fanhui Kong,Yiping Jiang,Xiangquan Qin,Xiaoxia Tian,Zhiqi Cong
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (9): 5506-5511 被引量:24
标识
DOI:10.1021/jacs.3c00195
摘要

Given prominent physicochemical similarities between H2O2 and water, we report a new strategy for promoting the peroxygenase activity of P450 enzymes by engineering their water tunnels to facilitate H2O2 access to the heme center buried therein. Specifically, the H2O2-driven activities of two native NADH-dependent P450 enzymes (CYP199A4 and CYP153AM.aq) increase significantly (by >183-fold and >15-fold, respectively). Additionally, the amount of H2O2 required for an artificial P450 peroxygenase facilitated by a dual-functional small molecule to obtain the desired product is reduced by 95%–97.5% (with ∼95% coupling efficiency). Structural analysis suggests that mutating the residue at the bottleneck of the water tunnel may open a second pathway for H2O2 to flow to the heme center (in addition to the natural substrate tunnel). This study highlights a promising, generalizable strategy whereby P450 monooxygenases can be modified to adopt peroxygenase activity through H2O2 tunnel engineering, thus broadening the application scope of P450s in synthetic chemistry and synthetic biology.
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