Strukturelle und mechanistische Studien zur Substrat‐ und Stereoselektivität der Indol‐Monooxygenase VpIndA1: Neue Wege für biokatalytische Epoxidationen und Sulfoxidationen

Flavoprotein‐Monooxygenasen sind eine vielseitige Gruppe von Enzymen für biokatalytische Reaktionen. Die dazugehörigen Monooxygenasen der Gruppe E (GEMs) katalysieren enantioselektive Epoxidierungs‐ und Sulfoxidierungsreaktionen. In dieser Arbeit beschreiben wir die Kristallstruktur einer Indol‐Mono...

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Published in:Angewandte Chemie 2023-04, Vol.135 (17), p.n/a
Main Authors: Kratky, Julia, Eggerichs, Daniel, Heine, Thomas, Hofmann, Sarah, Sowa, Philipp, Weiße, Renato H., Tischler, Dirk, Sträter, Norbert
Format: Article
Language:English
Subjects:
Biokatalyse
Chemistry
Epoxidation
Flavoenzyme
Monooxygenase
Proteinkristallographie
Strukturbasiertes Enzymdesign
Sulfoxidation
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Description
Summary:Flavoprotein‐Monooxygenasen sind eine vielseitige Gruppe von Enzymen für biokatalytische Reaktionen. Die dazugehörigen Monooxygenasen der Gruppe E (GEMs) katalysieren enantioselektive Epoxidierungs‐ und Sulfoxidierungsreaktionen. In dieser Arbeit beschreiben wir die Kristallstruktur einer Indol‐Monooxygenase aus dem Bakterium Variovorax paradoxus EPS, einer GEM mit der Bezeichnung VpIndA1. Basierend auf Substratkomplexstrukturen produktiver Bindungsmodi und in Verbindung mit Kraftfeldberechnungen sowie durch schnelle Mischungskinetik zeigen wir die strukturelle Grundlage der Substrat‐ und Stereoselektivität auf. Die strukturbasierte Umgestaltung der Substrattasche führte zu Varianten mit neuer Substratselektivität (für die Sulfoxidation von Benzylphenylsulfid) oder mit stark erhöhter Stereoselektivität (von 35.1 % auf 99.8 % ee für die Herstellung von (1S,2R)‐Indenoxid). Diese erste Bestimmung des Substratbindungsmodus von GEMs in Verbindung mit der Untersuchung von Struktur‐Funktions‐Beziehungen öffnet die Tür für ein strukturbasiertes Design dieser leistungsstarken Biokatalysatoren. Die Kristallstrukturanalyse einer Flavoprotein‐Monooxygenase der Gruppe E im Komplex mit Substraten und Produkten zeigt eine begrenzte hydrophobe Bindungstasche, die die Stereoselektivität von Sulfoxidations‐ oder Epoxidationsreaktionen kontrolliert. Molekularmechanische Kraftfeldberechnungen und kinetische Studien ermöglichten eine strukturbasierte Neugestaltung dieses Hohlraums, die zu Varianten mit stark verbesserter Stereoselektivität oder Akzeptanz neuer Substrate führte.
ISSN:0044-8249
1521-3757
DOI:10.1002/ange.202300657