Dissect Mechanism of Iron(II)/2-Oxoglutarate Dependent Enzymes Catalyzed Halogenation in Nucleotide Biosynthesis

核苷酸生物合成中铁(II)/2-氧化戊二酸依赖性酶催化卤化的解析机制

基本信息

  • 批准号:
    10660003
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 35.51万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-09-01 至 2027-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Project Summary/Abstract Iron and 2-oxoglutarate-dependent (Fe/2OG) enzymes, representing a superfamily of non-heme mononuclear iron-containing (NHM-Fe) enzymes, have garnered strong research interests from fundamental enzyme mechanism studies to bioengineering/biocatalysis explorations in recent years due to their exceedingly diverse catalytic reactivities and simple enzyme architectures. Radical halogenation reactions via C-H bond activation catalyzed by Fe/2OG halogenases are particularly attractive for chemical synthesis and biocatalysis applications, since these enzymes can install carbon-halide bonds in a regio- and stereo-specific manner, a feat that has yet to be achieved by organic synthetic methodology. As revealed by the mechanistic studies of carrier protein- dependent Fe/2OG halogenases, the key step in the radical halogenation mechanism is the selective halide radical transfer from the hydroxo-Fe(III)-halide intermediate to the substrate radical generated by the key reactive species, the ferryl (Fe(IV)=O) intermediate. However, a consensus mechanism to explain the selective halide transfer in Fe/2OG halogenases has not been reached, particularly the controlling factors to avoid hydroxyl radical transfer to lead to hydroxylation reaction are not fully revealed. Additionally, the reasons why Fe/2OG enzymes cannot perform fluorination reaction are completely unknown. In this project, we will bridge these knowledge gaps by studying two newly discovered carrier protein-independent Fe/2OG halogenases that catalyze chlorination reactions to generate halogenated nucleotide natural products and halogenated free- standing amino acids. By using an integrative approach consisting of mechanistic probe design and synthesis, enzyme product structural determination via LC-MS and NMR analysis, transient enzyme kinetics, advanced spectroscopic characterization and molecular dynamics simulations, we will elucidate the influence of protein- substrate interactions and dynamics in controlling efficient halogenation, explore the effect of different iron-bound anions (e.g. Cl- vs. F-) to the electronic structure and the reactivity of the ferryl intermediate, test new chemical strategies to enable fluorination in Fe/2OG enzymes, and expand the substrate scope of these enzymes for potential synthetic applications. Given the importance of halogen-containing organic molecules in the modern pharmaceutical and agrochemical applications, mechanistic elucidation of these newly discovered halogenases will lay scientific foundation for future biocatalytic applications of these unique enzymes.
项目概要/摘要 铁和 2-酮戊二酸依赖性 (Fe/2OG) 酶,代表非血红素单核超家族 含铁(NHM-Fe)酶,引起了基础酶的强烈研究兴趣 近年来生物工程/生物催化探索的机制研究因其极其多样化 催化反应性和简单的酶结构。通过 C-H 键活化的自由基卤化反应 由 Fe/2OG 卤化酶催化对于化学合成和生物催化应用特别有吸引力, 由于这些酶可以以区域和立体特异性的方式安装碳卤化物键,这一壮举尚未实现 通过有机合成方法实现。正如载体蛋白的机制研究所揭示的那样—— 依赖Fe/2OG卤化酶,自由基卤化机制的关键步骤是选择性卤化物 从羟基-Fe(III)-卤化物中间体到由关键反应生成的底物自由基的自由基转移 种,ferryl (Fe(IV)=O) 中间体。然而,解释选择性卤化物的共识机制 Fe/2OG 卤化酶的转移尚未实现,特别是避免羟基的控制因素 自由基转移导致羟基化反应尚未完全揭示。另外,Fe/2OG的原因 酶不能进行氟化反应是完全未知的。在这个项目中,我们将桥接这些 通过研究两种新发现的不依赖于载体蛋白的 Fe/2OG 卤化酶来弥补知识空白 催化氯化反应生成卤代核苷酸天然产物和卤代游离产物 固定氨基酸。通过使用由机械探针设计和合成组成的综合方法, 通过 LC-MS 和 NMR 分析、瞬时酶动力学、高级酶产物结构测定 光谱表征和分子动力学模拟,我们将阐明蛋白质的影响 底物相互作用和动力学在控制有效卤化中的作用,探索不同铁结合的效果 阴离子(例如 Cl- 与 F-)对 Ferryl 中间体的电子结构和反应性的影响,测试新化学品 使 Fe/2OG 酶氟化并扩大这些酶的底物范围的策略 潜在的合成应用。鉴于含卤素有机分子在现代工业中的重要性 药物和农业化学应用,这些新发现的卤化酶的机理阐明 将为这些独特酶的未来生物催化应用奠定科学基础。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Enabling Valence Delocalization in Iron(III) Macrocyclic Complexes through Ring Unsaturation.
  • DOI:
    10.1021/acs.inorgchem.3c01179
  • 发表时间:
    2023-06
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Reese A. Clendening;Stephanie S Delancey;Andrew T Poore;Shan Xue;Yisong Guo;Shiliang Tian;T. Ren
  • 通讯作者:
    Reese A. Clendening;Stephanie S Delancey;Andrew T Poore;Shan Xue;Yisong Guo;Shiliang Tian;T. Ren
Harnessing the Substrate Promiscuity of Dioxygenase AsqJ and Developing Efficient Chemoenzymatic Synthesis for Quinolones.
  • DOI:
    10.1021/acscatal.1c01150
  • 发表时间:
    2021-06-18
  • 期刊:
  • 影响因子:
    12.9
  • 作者:
    Tang, Haoyu;Tang, Yijie;Kurnikov, Igor, V;Liao, Hsuan-Jen;Chan, Nei-Li;Kurnikova, Maria G.;Guo, Yisong;Chang, Wei-chen
  • 通讯作者:
    Chang, Wei-chen
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