电子转移途径中芳香族氨基酸的引入提高了细胞色素P450s的催化性能

作     者：孟帅奇 李忠玉 季宇 Anna Joelle Ruff 刘珞 Mehdi D.Davari Ulrich Schwaneberg Shuaiqi Meng;Zhongyu Li;Yu Ji;Anna Joelle Ruff;Luo Liu;Mehdi D.Davari;Ulrich Schwaneberg

作者机构：亚琛工业大学生物技术研究所德国 北京化工大学北京生物过程重点实验室北京100029 莱布尼茨植物生物化学研究所生物有机化学系德国 莱布尼茨互动材料研究所德国 

出 版 物：《Chinese Journal of Catalysis》 (催化学报（英文）)

年 卷 期：2023年第49卷第6期

页      面：81-90页

核心收录：

学科分类：0710[理学-生物学] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 

基　　金：中国留学基金委员会(201906880011) 

主　　题：定向进化 P450 BM3 蛋白质工程 电子传递 理性设计 

摘      要：细胞色素P450s是用于生物合成的多功能催化剂.在P450催化循环中,需要两个电子来还原血红素铁,并通过电子转移途径(eTPs)激活随后的还原,该步骤是反应的限速步骤.本文重新设计了巨大芽孢杆菌P450 BM3的e TPs,大幅提高了其催化性能.通过在P450 BM3的e TP中引入芳香族氨基酸,“最佳变体P2H02(A399Y/Q403F)的催化效率比P450 BM3野生型催化效率提高了12.9倍(kcat/KM从65.8 L mol^(-1)s^(-1)提高到913.5 L mol^(-1)s^(-1)).分子动力学模拟和电子传递分析表明,在辅因子FMN和血红素之间引入的芳香族氨基酸可以显著提高电子转移速率和酶催化性能.同时,在电子传递途径中引入酪氨酸可以保护P450的催化中心,使其避免被氧化性中间产物所破坏,从而提高其催化效率.此外,引入芳香族氨基酸的策略被证明对其他P450(如CYP116B3)同样有效,改造后的酶表现出显著提高的催化效率.综上,本文策略有望拓展到其他带有长程电子传递链的氧化还原酶上,成为改造的通用策略.