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Integrated engineering at distal site and active center regulates stereoselectivity and activity of carbonyl reductase towards N-Boc-pyrrolidone

立体选择性 位阻效应 化学 立体化学 饱和突变 活动站点 活动中心 突变体 对映体 还原酶 突变 组合化学 催化作用 侧链 酶催化 生物催化 立体异构 对映体过量 分子模型 合理设计 定点突变 结构-活动关系
作者
Jie Gu,Le Li,Jun Wang,Xin Su,Man Zou,Yan Xu,Yao Nie
出处
期刊:Molecular Catalysis [Elsevier]
卷期号:558: 114057-114057 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.mcat.2024.114057
摘要

Green and efficient biosynthesis of two enantiomeric products of N-Boc-pyrrolidinol (NPBL) as key pharmaceutical blocks for treatment of cancer and HIV has received much attention. The precursor, N-Boc-pyrrolidone (NPBO), is considered as a difficult-to-reduce ketone by carbonyl reductases, because it has a bulky Boc group and sterically similar substitutions on either side of the carbonyl group resulting in low stereoselectivity and conversion. Moreover, activity enhancement concomitant with reversal of stereoselectivity is challenging. Carbonyl reductase (CpCR) from Candida parapsilosis shows 90 %ee for (S)-NBPL, but low catalytic efficiency. In this study, we considered both activity and selectivity, and proposed an integrated engineering strategy. The distal site was introduced from an activity perspective and the active pocket sites were introduced by virtual saturation mutagenesis from a stereoselectivity perspective. Mutants L34A/W116A (95 %ee (S)) and L34A/W116T/F285C/W286S (94 %ee (R)) were obtained with 26.8-fold and 2.9-fold higher catalytic efficiencies, respectively. Molecular dynamics simulations revealed the mechanism of stereoselective flip-flop and activity enhancement; mutation altered the substrate-binding mode and changed the shape and size of the cavities, thus contributing to the change in the ratio of active conformations in the pre-reactive state. This study, which differs from the traditional method of exchanging large and small pockets, provides a viable approach for the rational design of carbonyl reductases with high stereoselectivity for target substrates.
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