Efficient reductive desymmetrization of bulky 1,3-cyclodiketones enabled by structure-guided directed evolution of a carbonyl reductase

对称化 立体选择性 化学 立体化学 还原酶 对映选择合成 生物催化 基质(水族馆) 催化作用 组合化学 反应机理 有机化学 生物 生态学
作者
Xi Chen,Hongliu Zhang,Miguel A. Maria‐Solano,Weidong Liu,Juan Li,Jinhui Feng,Xiangtao Liu,Sílvia Osuna,Rey‐Ting Guo,Qiaqing Wu,Dunming Zhu,Yanhe Ma
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:2 (10): 931-941 被引量:80
标识
DOI:10.1038/s41929-019-0347-y
摘要

Reductive desymmetrization of 2,2-disubstituted prochiral 1,3-cyclodiketones to 2,2-disubstituted-3-hydroxycycloketones is a highly desired transformation for the construction of complex molecules with multiple chiral centres, but the generation of a single stereoisomer is difficult and an extremely challenging task in organic chemistry. In this study, by using ethyl secodione as the model substrate and an engineered carbonyl reductase from Ralstonia sp. as the biocatalyst, we realized the efficient reductive desymmetrization of 2,2-disubstituted cyclodiketones to give essentially one single stereoisomer. The mutant enzyme F12 (I91V/I187S/I188L/Q191N/F205A) showed an 183-fold enhancement of enzyme activity and outstanding stereoselectivity towards most of the tested prochiral 1,3-cyclodiketones. Crystal structural analysis and molecular dynamics studies reveal the molecular basis for activity improvement and the stereoselectivity control mechanism. Our results show that by altering the active site conformation populations (particularly the position of an α-helix) to properly accommodate the larger substrate and co-factor for catalysis, this challenging synthetic problem can ultimately be addressed. Reductive desymmetrization of 2,2-disubstituted cyclodiketones can provide valuable complex molecules with multiple chiral centres, but the generation of a single stereoisomer is difficult. This work addresses this synthetic challenge by engineering the activity and stereoselectivity of a carbonyl reductase.
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