Genetically engineered proteins with two active sites for enhanced biocatalysis and synergistic chemo- and biocatalysis

生物催化 活动站点 蛋白质工程 定向进化 催化作用 化学 组合化学 烷基化 酶催化 立体化学 有机化学 生物化学 反应机理 基因 突变体
作者
Sandra Alonso,Gerard Santiago,Isabel Cea‐Rama,Laura Fernández-López,Cristina Coscolín,Jan Modregger,Anna K. Ressmann,Mónica Martínez‐Martínez,Helena Marrero,Rafael Bargiela,Marcos Pita,José L. González-Alfonso,Manon L. Briand,David Rojo,Coral Barbas,Francisco J. Plou,Peter N. Golyshin,Patrick Shahgaldian,J. Sanz‐Aparicio,Vı́ctor Guallar,Manuel Ferrer
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:3 (3): 319-328 被引量:95
标识
DOI:10.1038/s41929-019-0394-4
摘要

Enzyme engineering has allowed not only the de novo creation of active sites catalysing known biological reactions with rates close to diffusion limits, but also the generation of abiological sites performing new-to-nature reactions. However, the catalytic advantages of engineering multiple active sites into a single protein scaffold are yet to be established. Here, we report on proteins with two active sites of biological and/or abiological origin, for improved natural and non-natural catalysis. The approach increased the catalytic properties, such as enzyme efficiency, substrate scope, stereoselectivity and optimal temperature window, of an esterase containing two biological sites. Then, one of the active sites was metamorphosed into a metal-complex chemocatalytic site for oxidation and Friedel–Crafts alkylation reactions, facilitating synergistic chemo- and biocatalysis in a single protein. The transformations of 1-naphthyl acetate into 1,4-naphthoquinone (conversion approx. 100%) and vinyl crotonate and benzene into 3-phenylbutyric acid (≥83%; e.e. >99.9%) were achieved in one pot with this artificial multifunctional metalloenzyme. Enzyme engineering is opening up new chemistries. Here, the authors report enzymes engineered to contain two biological active sites — also showing that one site can be converted to a metal-complex catalyst — and demonstrate the utility of such dual sites in a range of catalytic processes.
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