Искусственный металлофермент
Искусственный металлофермент (АрМ) — это дизайнерский металлопротеин , не встречающийся в природе, который может катализировать желаемые химические реакции. [ 1 ] [ 2 ] Несмотря на то, что ArM относятся к классическим категориям ферментов , они также обладают потенциалом в области новой для природы химической активности, такой как катализация реакции Сузуки . [ 3 ] Метатезис [ 4 ] и т. д., о которых никогда не сообщалось среди естественных ферментативных реакций.
ArMs имеют два основных компонента: белковый каркас и искусственный каталитический фрагмент, который в данном случае имеет металлический центр . Этот класс дизайнерских биокатализаторов уникален благодаря возможности улучшения каталитических характеристик за счет хемогенетической оптимизации, параллельного улучшения как непосредственного металлического окружения (первая координационная сфера ), так и белкового каркаса (вторая координационная сфера ). Вторая координационная сфера (белковая сфера). scaffold) легко эволюционирует и, в случае ArMs, отвечает за очень высокую (стерео)селективность . [ 5 ] С прогрессом в металлоорганическом синтезе и белковой инженерии разрабатывались все новые и новые виды конструкций ArM, демонстрирующие многообещающее будущее как в академических, так и в промышленных аспектах. [ 6 ]
В 2018 году половина Нобелевской премии по химии была присуждена Фрэнсис Х. Арнольд «за направленную эволюцию ферментов», которая элегантно разработала искусственные металлоферменты для реализации эффективных и высокоселективных новых в природе химических реакций in vitro и in vitro. виво .
История
[ редактировать ]
В 1956 году был зарегистрирован первый катализатор на основе переходных металлов, модифицированный белком. [ 7 ] Соль палладия шелка, восстанавливалась водородом , (II) абсорбировалась волокнами фиброина чтобы получить первый зарегистрированный ArM, который может катализировать асимметричное гидрирование . Эту работу невозможно воспроизвести, но она считается первой работой в области искусственных металлоферментов. [ 5 ] В то время основной проблемой, блокировавшей дальнейшие исследования, была недостаточно развитая технология производства и очистки белка. О первой попытке закрепить абиотический металлоцентр на белке сообщили Whitesides et al. используя взаимодействие биотина и авидина , создавая искусственную гидрогеназу. [ 8 ] Присутствие авидина может значительно повысить каталитическую способность кофактора родия(I) в водно-фосфатном буфере. Еще одна новаторская работа была проведена Кайзером и др. где карбоксипептидаза А (CPA) была перепрофилирована в оксидазу путем замены центра Zn (II) на Cu (II) для окисления аскорбиновой кислоты. [ 9 ]
Реальный потенциал ArM был раскрыт, когда было разработано производство рекомбинантных белков, а именно, в 1997 году Дистефано и Дэвис сообщили о модификации каркаса рекомбинантного адипоцитов липидсвязывающего белка (ALBP) с помощью йодацетамидо-1,10-фенантролина, координирующего Cu(II) для стереоселективный гидролиз рацемических эфиров. [ 10 ]
Формирование
[ редактировать ]Закрепление абиотического кофактора
[ редактировать ]Для сборки вооружений использовались четыре стратегии: [ 6 ]
- Ковалентная иммобилизация металлсодержащего каталитического фрагмента путем необратимой реакции с белком;
- Супрамолекулярные взаимодействия между белком и высокоаффинным субстратом могут быть использованы для закрепления металлического кофактора;
- Замена металла в природном металлоферменте может привести к новой каталитической активности белка. Металл может быть частью простетической группы (например, гема) или связан с аминокислотами;
- Аминокислоты с льюисовскими свойствами в гидрофобном кармане могут взаимодействовать с координационно ненасыщенным металлическим центром.
Эти четыре стратегии привели к большому прогрессу в области искусственных металлоферментов с начала 21 века, открыв исключительную селективность для новых для природы реакций.
Ковалентный
[ редактировать ]
С развитием технологии биоконъюгации появилось множество стратегий ковалентного связывания искусственного металлокофактора с белковым каркасом:
- цистеина Химия на основе остатков : цисмелеимид , [ 11 ] Цис- α -галокетон , [ 12 ] Химия цис-бензилгалогенида и образование дисульфида , [ 13 ]
- посттрансляционная биоортогональная модификация, основанная на подавлении стоп-кодона Янтаря (например, химия Click) [ 14 ]
- модификация активного центра фермента (например, образование ковалентной связи между липазой и ингибитором липазы). [ 15 ]
супрамолекулярный
[ редактировать ]Стрептавидин или авидин в сочетании с биотинилированными кофакторами искусственных металлов является наиболее часто используемой супрамолекулярной стратегией получения ArM. [ 16 ] В раннем примере Ward et al. Как показано ниже, лиганд комплекса Ru(I) был ковалентно связан с биотином, а затем весь комплекс был закреплен на стрептавидине благодаря специфическому и сильному взаимодействию биотин-стрептавидин. [ 17 ] Образующийся АРМ может катализировать восстановление прохиральных кетонов . Воспользовавшись преимуществами эволюции белка, разные мутанты стрептавидина могут достигать разной стереоселективности. За прошедшие годы было разработано множество ферментов на основе стрептавидина, позволяющих катализировать очень сложные превращения в воде в условиях окружающей среды.
Помимо ArM на основе биотин-стрептавидина, еще одним важным примером использования стратегии супрамолекулярной сборки является распознавание антиген - антитело . Впервые сообщалось в 1989 году Lerner et al. ., ArM на основе моноклональных антител создается для гидролиза специфического пептида. [ 18 ]
Еще одним интересным каркасом, используемым в качестве платформы для супрамолекулярно собранных ArM, являются регуляторы множественной лекарственной устойчивости (MDR), в частности семейство белков PadR без нативной каталитической активности, функция которых в природе заключается в распознавании чужеродных агентов и активации последующего клеточного ответа. [ 19 ] Среди них лактококковый регулятор множественной лекарственной устойчивости (LmrR) в основном использовался для создания ArM с использованием различных стратегий, в том числе супрамолекулярной. А именно, Рольфес и др. включил фенантролиновый комплекс Cu(II) в гидрофобный карман LmrR и выполнил реакцию Фриделя-Крафтса ; энантиоселективно [ 20 ] [ 21 ] и гемовый комплекс Fe, который энантиоселективно катализирует циклопропанирование . [ 22 ]
Замена металла
[ редактировать ]Эта стратегия предполагает замену собственного металлоцентра в металлокофакторе другим металлом, который может уже присутствовать или не присутствовать в живых системах. [ 23 ] Таким образом, электронные и стерические свойства каталитического активного центра изменяются по сравнению с ферментом дикого типа, и открываются новые каталитические пути.
Дательный падеж
[ редактировать ]
Стратегия дативного закрепления использует природные аминокислотные остатки в белковом каркасе, такие как His , Cys , Glu , Asp и Ser , для координации с металлическим центром. Как и в первом примере Pd-фиброина, дативное прикрепление к природным аминокислотам в настоящее время обычно не используется и часто приводит к более неоднозначному месту связывания металла по сравнению с предыдущими тремя методами.
Однако эти проблемы можно преодолеть путем in vivo включения хелатирующих металлы неканонических аминокислот, (нкАК). [ 24 ] в белковом каркасе. Боковые цепи этих генетически кодируемых ncAA имеют хелатирующие фрагменты, такие как 2,2'-бипиридин (3-(2,2'-бипиридин-5-ил)-L-аланин). [ 25 ] и 8-гидроксихинолин (2-амино-3-(8-гидроксихинолин-3-ил)пропановая кислота) [ 26 ] которые могут избирательно координировать различные металлы. Комбинирование белковых каркасов, хелатирующих NCAA с различными металлами, дает исключительно селективные искусственные металлоферменты с различными возможностями применения. [ 5 ] ncAA обычно вводятся посредством стоп-кодонов Amber подавления через систему ортогональной трансляции (OTS). [ 24 ]
Перепрофилирование природных металлоферментов
[ редактировать ]Помимо закрепления искусственного металлического центра в белковом каркасе, такие исследователи, как Фрэнсис Арнольд и Ян Ян, сосредоточились на изменении естественной среды природных металлокофакторов. Благодаря большому пространству последовательностей , которое может быть получено в природных металлоферментах, их можно использовать для катализа ненативных преобразований. Этот процесс известен как перепрофилирование ферментов. Направленная эволюция обычно используется для адаптации каталитической способности и перепрофилирования функции фермента. Лаборатория Арнольда, в основном основываясь на природном металлокофакторе порфирин , разработала множество ArM, катализирующих региоселективные и/или энантиоселективные превращения, такие как образование связей углерод- бор , [ 27 ] карбеновая вставка, [ 28 ] и аминогидроксилирование [ 29 ] путем развития контекста последовательности соответствующих ArM.
Будучи пионерами металлоредокс- радикального биокатализа, Yang et al. перепрофилированный цитохром P450 для катализа радикальной циклизации с переносом атома (ATRC), [ 30 ] и Хуанг и др. перепрофилированные негемовые Fe-зависимые ферменты для катализа абиологического радикально-эстафетного азидирования [ 31 ] и радикальное фторирование . [ 32 ] [ 33 ]
Функция
[ редактировать ]На сегодняшний день ArM могут катализировать множество химических реакций, таких как: аллильное алкилирование, аллильное аминирование , альдольная реакция , окисление спирта, CH и т.д. активация [ 34 ] нажмите реакцию , [ 35 ] окисление катехолов , восстановление CO 2 , циклопропанирование , [ 36 ] реакция Дильса-Альдера , [ 37 ] эпоксидирование , раскрытие эпоксидного кольца, алкилирование по Фриделю-Крафтсу , [ 38 ] гидрирование , гидроформилирование , реакция Хека , Метатезис , [ 4 ] Присоединение Михаэля , восстановление нитритов , восстановление NO, реакция Сузуки, [ 3 ] вставка Si-H, [ 39 ] полимеризация ( радикальная полимеризация с переносом атома ), [ 40 ] радикальная циклизация с переносом атома (ATRC) [ 30 ] и радикальное фторирование. [ 32 ] [ 33 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Морра С., Пордеа А. (октябрь 2018 г.). «Биокатализатор-искусственный металлоферментный каскад на основе алкогольдегидрогеназы» . Химическая наука . 9 (38). Королевское химическое общество : 7447–7454. дои : 10.1039/C8SC02371A . ПМК 6180310 . ПМИД 30319745 .
- ^ Леурс М., Дорн Б., Вильгельм С., Манисегаран М., Тиллер Дж.К. (июль 2018 г.). «Многоядерные искусственные металлоферменты, полученные из ацилированных белков, как катализаторы энантиоселективного дигидроксилирования и эпоксидирования производных стирола». Химия: Европейский журнал . 24 (42): 10859–10867. дои : 10.1002/chem.201802185 . ПМИД 29808506 .
- ^ Перейти обратно: а б Чаттерджи А., Маллин Х., Клер Дж., Валлапуракал Дж., Финке А.Д., Вера Л. и др. (январь 2016 г.). «Энантиоселективная искусственная сузукиаза на основе биотин-стрептавидиновой технологии» . Химическая наука . 7 (1): 673–677. дои : 10.1039/C5SC03116H . ПМК 5953008 . ПМИД 29896353 .
- ^ Перейти обратно: а б Йешек М., Рейтер Р., Хайниш Т., Триндлер С., Клер Дж., Панке С. и др. (сентябрь 2016 г.). «Направленная эволюция искусственных металлоферментов для метатеза in vivo» (PDF) . Природа . 537 (7622): 661–665. Бибкод : 2016Natur.537..661J . дои : 10.1038/nature19114 . ПМИД 27571282 . S2CID 205250261 .
- ^ Перейти обратно: а б с Дэвис Х.Дж., Уорд ТР (июль 2019 г.). «Искусственные металлоферменты: проблемы и возможности» . Центральная научная служба ACS . 5 (7): 1120–1136. дои : 10.1021/accentsci.9b00397 . ПМК 6661864 . ПМИД 31404244 .
- ^ Перейти обратно: а б Швицер Ф., Окамото Ю., Хайниш Т., Гу Ю., Пеллиццони М.М., Лебрен В. и др. (январь 2018 г.). «Искусственные металлоферменты: объем реакции и стратегии оптимизации» (PDF) . Химические обзоры . 118 (1): 142–231. doi : 10.1021/acs.chemrev.7b00014 . ПМИД 28714313 .
- ^ Акабори С., Сакураи С., Изуми Ю., Фуджи Ю. (август 1956 г.). «Асимметричный катализатор». Природа . 178 (4528): 323–324. Бибкод : 1956Natur.178..323A . дои : 10.1038/178323b0 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 13358737 . S2CID 4221816 .
- ^ Уилсон М.Э., генеральный директор Whitesides (январь 1978 г.). «Превращение белка в гомогенный асимметричный катализатор гидрирования путем сайт-специфической модификации фрагментом дифосфинродия (I)». Журнал Американского химического общества . 100 (1): 306–307. дои : 10.1021/ja00469a064 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Ямамура К., Кайзер Э.Т. (1 января 1976 г.). «Исследование оксидазной активности медь(II)карбоксипептидазы А» . Журнал Химического общества, Chemical Communications (20): 830–831. дои : 10.1039/C39760000830 . ISSN 0022-4936 .
- ^ Дэвис Р.Р., Дистефано, доктор медицинских наук (1 декабря 1997 г.). «Полусинтетический металлофермент на основе белковой полости, катализирующий энантиоселективный гидролиз эфирных и амидных субстратов» . Журнал Американского химического общества . 119 (48): 11643–11652. дои : 10.1021/ja970820k . ISSN 0002-7863 .
- ^ Онода А., Кихара Ю., Фукумото К., Сано Ю., Хаяси Т. (август 2014 г.). «Фотоиндуцированная эволюция водорода, катализируемая синтетическим комплексом дитиолата дижелеза, встроенным в белковую матрицу». АКС-катализ . 4 (8): 2645–2648. дои : 10.1021/cs500392e .
- ^ Дэвис Р.Р., Дистефано А. (декабрь 1997 г.). «Полусинтетический металлофермент на основе белковой полости, катализирующий энантиоселективный гидролиз эфирных и амидных субстратов». Журнал Американского химического общества . 119 (48): 11643–11652. дои : 10.1021/ja970820k . ISSN 0002-7863 .
- ^ Платис И.Е., Эрмакора М.Р., Фокс Р.О. (ноябрь 1993 г.). «Окислительное расщепление полипептида, опосредованное ЭДТА-Fe, ковалентно связанным с остатками цистеина». Биохимия . 32 (47): 12761–7. дои : 10.1021/bi00210a027 . ПМИД 8251497 .
- ^ Ян Х., Шривастава П., Чжан С., Льюис Дж.К. (январь 2014 г.). «Общий метод образования искусственных металлоферментов посредством стимулируемого штаммом азид-алкинового циклоприсоединения» . ХимБиоХим . 15 (2): 223–7. дои : 10.1002/cbic.201300661 . ПМЦ 3996923 . ПМИД 24376040 .
- ^ Круитхоф К.А., Касадо М.А., Гильена Г., Эгмонд М.Р., ван дер Керк-ван Хуф А., Хек А.Дж. и др. (ноябрь 2005 г.). «Закрепление металлоорганических соединений, направленное на активный центр липазы: гибриды металлопинцеров и белков». Химия: Европейский журнал . 11 (23): 6869–77. дои : 10.1002/chem.200500671 . ПМИД 16224766 .
- ^ Креус М., Пордеа А., Россель Т., Сардо А., Летондор С., Иванова А. и др. (2008). «Рентгеновская структура и расчет эволюции искусственной гидрогеназы-переносчика». Ангеванде Хеми . 47 (8): 1400–4. дои : 10.1002/anie.200704865 . ПМИД 18176932 .
- ^ Креус М., Пордеа А., Россель Т., Сардо А., Летондор С., Иванова А. и др. (08 февраля 2008 г.). «Рентгеновская структура и предполагаемая эволюция искусственной трансфергидрогеназы» . Angewandte Chemie, международное издание . 47 (8): 1400–1404. дои : 10.1002/anie.200704865 . ISSN 1433-7851 . ПМИД 18176932 .
- ^ Айверсон Б.Л., Лернер Р.А. (март 1989 г.). «Последовательность-специфическое расщепление пептида, катализируемое антителом». Наука . 243 (4895): 1184–8. Бибкод : 1989Sci...243.1184I . дои : 10.1126/science.2922606 . ПМИД 2922606 .
- ^ Рулфес Г (22 февраля 2019 г.). «LmrR: привилегированный каркас для искусственных металлоферментов» . Отчеты о химических исследованиях . 52 (3): 545–556. doi : 10.1021/acs.accounts.9b00004 . ISSN 0001-4842 . ПМК 6427492 . ПМИД 30794372 .
- ^ Вилларино Л., Хордия С., Алонсо-Котчико Л., Реддем Э., Чжоу З., Тунниссен А.М. и др. (18 сентября 2020 г.). «Динамика связывания кофактора влияет на каталитическую активность и селективность искусственного металлофермента» . АКС-катализ . 10 (20): 11783–11790. дои : 10.1021/acscatal.0c01619 . ISSN 2155-5435 . ПМЦ 7574625 . ПМИД 33101759 .
- ^ Чжоу З, Рулфес Г (13 июля 2021 г.). «Синергетический катализ тандемных реакций присоединения Михаэля/энантиоселективного протонирования искусственным ферментом» . АКС-катализ . 11 (15): 9366–9369. дои : 10.1021/acscatal.1c02298 . ISSN 2155-5435 . ПМЦ 8353628 . ПМИД 34386272 .
- ^ «Графическое резюме: Angew. Chem. Int. Ed. 17/2018» . Angewandte Chemie, международное издание . 57 (17): 4435–4453. 16 апреля 2018 г. дои : 10.1002/anie.201881711 . ISSN 1433-7851 .
- ^ Кандемир Б., Чакраборти С., Го Ю., Брен К.Л. (январь 2016 г.). «Полусинтетические и биомолекулярные катализаторы выделения водорода». Неорганическая химия . 55 (2): 467–77. doi : 10.1021/acs.inorgchem.5b02054 . ПМИД 26671416 .
- ^ Перейти обратно: а б Дриеновска И, Рулфес Г (06 января 2020 г.). «Расширение вселенной ферментов за счет генетически закодированных неприродных аминокислот» . Природный катализ . 3 (3): 193–202. дои : 10.1038/s41929-019-0410-8 . ISSN 2520-1158 .
- ^ Дриеновска И., Риос-Мартинес А., Дракшарапу А., Рулфес Г. (январь 2015 г.). «Новые искусственные металлоферменты путем включения in vivo металлсвязывающих неприродных аминокислот» . Химическая наука . 6 (1): 770–776. дои : 10.1039/C4SC01525H . ПМК 5590542 . ПМИД 28936318 .
- ^ Дриеновска И., Шееле Р.А., Гутьеррес де Соуза К., Рулфес Г. (ноябрь 2020 г.). «Неприродная аминокислота на основе гидроксихинолина для создания новых искусственных металлоферментов» . ХимБиоХим . 21 (21): 3077–3081. дои : 10.1002/cbic.202000306 . ПМЦ 7689906 . ПМИД 32585070 .
- ^ Чен К., Хуан Х, Чжан С.К., Чжоу А.З., Кан С.Б., Хун Х и др. (март 2019 г.). «c-Катализируемое введение лактон-карбена BH» . Синлетт . 30 (4): 378–382. дои : 10.1055/s-0037-1611662 . ПМК 6436545 . ПМИД 30930550 .
- ^ Бранденберг О.Ф., Чен К., Арнольд Ф.Х. (май 2019 г.). «Направленная эволюция карбентрансферазы цитохрома P450 для селективной функционализации циклических соединений» (PDF) . Журнал Американского химического общества . 141 (22): 8989–8995. дои : 10.1021/jacs.9b02931 . ПМИД 31070908 .
- ^ Чо И, Приер К.К., Цзя З.Дж., Чжан Р.К., Гёрбе Т., Арнольд Ф.Х. (март 2019 г.). «Энантиоселективное аминогидроксилирование стиренилолефинов, катализируемое сконструированным гемопротеином» . Ангеванде Хеми . 58 (10): 3138–3142. дои : 10.1002/anie.201812968 . ПМИД 30600873 .
- ^ Перейти обратно: а б Чжоу Ц, Чин М, Фу Ю, Лю П, Ян Ю (24 декабря 2021 г.). «Стереодивергентная радикальная циклизация с переносом атома с помощью сконструированных цитохромов P450» . Наука . 374 (6575): 1612–1616. Бибкод : 2021Sci...374.1612Z . дои : 10.1126/science.abk1603 . ISSN 0036-8075 . ПМЦ 9309897 . ПМИД 34941416 .
- ^ Жуй Дж., Чжао К., Халс А.Дж., Солер Дж., Пэрис Дж.К., Чен З. и др. (20 мая 2022 г.). «Направленная эволюция негемовых ферментов железа для доступа к абиологическому радикальному реле C(sp 3)-H азидированию» . Наука . 376 (6595): 869–874. дои : 10.1126/science.abj2830 . ISSN 0036-8075 . ПМЦ 9933208 . ПМИД 35587977 .
- ^ Перейти обратно: а б Чжао Q, Чен Z, Солер Дж, Чен X, Жуй Дж, Цзи НТ и др. (28 марта 2024 г.). «Разработка ферментов негемового железа для энантиоселективного образования связи C (sp3) – F посредством радикального переноса фтора» . Синтез природы . дои : 10.1038/s44160-024-00507-7 . ISSN 2731-0582 .
- ^ Перейти обратно: а б Ян Ю, Чжао ЛП, Май БК, Ченг Л, Гао Ф, Чжао Ю и др. (29 марта 2024 г.). «Биокаталитическое энантиоселективное фторирование C (sp3) – H, возможное за счет направленной эволюции негемовых ферментов Fe» . dx.doi.org . doi : 10.26434/chemrxiv-2024-pt58m . Проверено 7 июня 2024 г.
- ^ Дидио П., Ки Х.М., Назаренко А., Ра Дж.Ю., Сейедказеми В., Кларк Д.С. и др. (октябрь 2016 г.). «Искусственный металлофермент с кинетикой нативных ферментов» . Наука . 354 (6308): 102–106. Бибкод : 2016Sci...354..102D . дои : 10.1126/science.aah4427 . ПМИД 27846500 .
- ^ Ёкой Н., Инаба Х., Тераучи М., Стиг А.З., Сангамитра Н.Дж., Кошияма Т. и др. (сентябрь 2010 г.). «Создание надежных бионанотрубок с использованием контролируемой самосборки белков-компонентов бактериофага Т4». Маленький . 6 (17): 1873–9. дои : 10.1002/smll.201000772 . ПМИД 20661999 .
- ^ Ки Х.М., Дидио П., Кларк Д.С., Хартвиг Дж.Ф. (июнь 2016 г.). «Абиологический катализ искусственными гем-белками, содержащими благородные металлы вместо железа» . Природа . 534 (7608): 534–7. Бибкод : 2016Natur.534..534K . дои : 10.1038/nature17968 . ПМИД 27296224 . S2CID 205249065 .
- ^ Подтетенефф Дж., Таллибер А., Билл Э., Рейджерс Э.Дж., Ритц М.Т. (июль 2010 г.). «Искусственный металлофермент: создание специального сайта связывания меди в термостабильном белке». Прикладная химия . 49 (30): 5151–5. дои : 10.1002/anie.201002106 . ПМИД 20572232 .
- ^ Дриеновска И., Риос-Мартинес А., Дракшарапу А., Рулфес Г. (январь 2015 г.). «введение in vivo металлсвязывающих неприродных аминокислот» . Химическая наука . 6 (1): 770–776. дои : 10.1039/C4SC01525H . ПМК 5590542 . ПМИД 28936318 .
- ^ Арнольд Ф.Х. (апрель 2018 г.). «Направленная эволюция: воплощение в жизнь новой химии» . Ангеванде Хеми . 57 (16): 4143–4148. дои : 10.1002/anie.201708408 . ПМК 5901037 . ПМИД 29064156 .
- ^ Ренггли К., Нуссбаумер М.Г., Урбани Р., Пфол Т., Брунс Н. (январь 2014 г.). «Шаперонин как белковый нанореактор для радикальной полимеризации с переносом атома» . Прикладная химия . 53 (5): 1443–7. дои : 10.1002/anie.201306798 . ПМИД 24459061 .