Geldanamycin and its derivatives, inhibitors of heat shock protein 90, are considered potent anticancer drugs, although their biosynthetic pathways have not yet been fully elucidated. The key step of conversion of 4,5-dihydrogeldanamycin to geldanamycin was expected to catalyze by a P450 monooxygenase, Gel16. The adequate bioconversions by cytochrome P450 mostly rely upon its interaction with redox partners. Several ferredoxin and ferredoxin reductases are available in the genome of certain organisms, but only a few suitable partners can operate in full efficiency. In this study, we have expressed cytochrome P450 gel16 in Escherichia coli and performed an in vitro assay using 4,5-dihydrogeldanamycin as a substrate. We demonstrated that the in silico method can be applicable for the efficient mining of convenient endogenous redox partners (9 ferredoxins and 6 ferredoxin reductases) against CYP Gel16 from Streptomyces hygroscopicus. The distances for ligand FDX4-FDR6 were found to be $9.384{\AA}$. Similarly, the binding energy between Gel16-FDX4 and FDX4-FDR6 were -611.88 kcal/mol and -834.48 kcal/mol, respectively, suggesting the lowest distance and binding energy rather than other redox partners. These findings suggest that the best redox partners of Gel16 could be NADPH ${\rightarrow}$ FDR6 ${\rightarrow}$ FDX4 ${\rightarrow}$ Gel16.
Most redox-active proteins have thiol-bearing cysteine residues that are sensitive to oxidation. Cysteine thiols oxidized to sulfenic acid are generally unstable, either forming a disulfide with a nearby thiol or being further oxidized to a stable sulfinic acid, which have been viewed as an irreversible protein modification. However, recent studies showed that cysteine residues of certain thiol peroxidases (Prxs) undergo reversible oxidation to sulfinic acid and the reduction reaction is catalyzed by sulfiredoxin (Srx1). Specific Cys residues of various other proteins are also oxidized to sulfinic acid ($Cys-So_2H$). Srxl is considered one of the oxidant proteins with a role in signaling through catalytic reduction of oxidative modification like in the reduction of glutathionylation, a post-translational, oxidative modification that occurs on numerous proteins. In this study, the role of sulfiredoxin in cellular processes, was investigated by studying its interaction with other proteins. Through the yeast two-hybrid system (Y2HS) technique, we have found that Ams1 is a potential and novel interacting protein partner of Srxl. $\alpha$-mannosidase (Ams1) is a resident vacuolar hydrolase which aids in recycling macromolecular components of the cell through hydrolysis of terminal, non-reducing $\alpha$-D-mannose residues. It forms an oligomer in the cytoplasm and under nutrient rich condition and is delivered to the vacuole by the Cytoplasm to Vacuole (Cvt) pathway. Aside from the role of Srxl as a catalyst in the reduction of cysteine sulfenic acid groups, it may play a completely new function in the cellular process as indicated by its interaction with Ams1 of the yeast Saccharomyces cerevisiae.
Compactin and pravastatin are competitive cholesterol biosynthesis inhibitors of 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase and belong to the statin drugs; however, the latter shows superior pharmacokinetic characteristics. Previously, we reported that the bacterial P450, CYP105D7, from Streptomyces avermitilis can catalyze the hydroxylation of 1-deoxypentalenic acid, diclofenac, and naringenin. Here, we demonstrate that CYP105D7 could also catalyze compactin hydroxylation in vitro. In the presence of both bacterial and cyanobacterial redox partner systems with an NADPH regeneration system, the reaction produced two hydroxylated products, including pravastatin (hydroxylated at the C6 position). The steady-state kinetic parameters were measured using the redox partners of putidaredoxin and its reductase. The $k_m$ and $k_{cat}$ values for compactin were $39.1{\pm}8.8{\mu}M$ and $1.12{\pm}0.09min^{-1}$, respectively. The $k_{cat}/K_m$ value for compactin ($0.029min^{-1}{\cdot}{\mu}M^{-1}$) was lower than that for diclofenac ($0.114min^{-1}{\cdot}{\mu}M^{-1}$). Spectroscopic analysis showed that CYP105D7 binds to compactin with a $K_d$ value of $17.5{\pm}3.6{\mu}M$. Molecular docking analysis was performed to build a possible binding model of compactin. Comparisons of different substrates with CYP105D7 were conclusively illustrated for the first time.
Biocatalytic transfer of oxygen in isolated cytochrome P450 or whole microbial cells is an elegant and efficient way to achieve selective hydroxylation. Cytochrome P450 CYP105P2 was isolated from Streptomyces peucetius that showed a high degree of amino acid identity with hydroxylases. Previously performed homology modeling, and subsequent docking of the model with flavone, displayed a reasonable docked structure. Therefore, in this study, in a pursuit to hydroxylate the flavone ring, CYP105P2 was co-expressed in a two-vector system with putidaredoxin reductase (camA) and putidaredoxin (camB) from Pseudomonas putida for efficient electron transport. HPLC analysis of the isolated product, together with LC-MS analysis, showed a monohydroxylated flavone, which was further established by subsequent ESI/MS-MS. A successful 10.35% yield was achieved with the whole-cell bioconversion reaction in Escherichia coli. We verified that CYP105P2 is a potential bacterial hydroxylase.
Cytochrome P450 enzymes (P450s) are involved in the synthesis of a wide variety of valuable products and in the degradation of numerous toxic compounds. The P450 BM3 (CYP102A1) from Bacillus megaterium was the first P450 discovered to be fused to its redox partner, a mammalian-like diflavin reductase. Here, we report the development of a whole-cell biocatalyst using ice-nucleation protein (Inp) from Pseudomonas syringae to display a hemeand diflavin-containing oxidoreductase, P450 BM3 (a single, 119-kDa polypeptide with domains of both an oxygenase and a reductase) on the surface of Escherichia coli. The surface localization and functionality of the fusion protein containing P450 BM3 were verified by flow cytometry and measurement of enzymatic activities. The results of this study comprise the first report of microbial cell-surface display of a heme- and diflavin-containing enzyme. This system should allow us to select and develop oxidoreductases containing heme and/or flavins into practically useful whole-cell biocatalysts for extensive biotechnological applications, including selective synthesis of new chemicals and pharmaceuticals, bioconversion, bioremediation, live vaccine development, and biochip development.
The aromatic compound p-hydroxybenzoate (PHBA) is an important material with multiple applications, including as a building block of liquid crystal polymers in chemical industries. The cytochrome P450 (CYP) enzymes are beneficial monooxygenases for the synthesis of chemicals, and CYP53A15 from fungus Cochliobolus lunatus is capable of executing the hydroxylation from benzoate to PHBA. Here, we constructed a system for the bioconversion of benzoate to PHBA in Escherichia coli cells coexpressing CYP53A15 and human NADPH-P450 oxidoreductase (CPR) genes as a redox partner. For suitable coexpression of CYP53A15 and CPR, we originally constructed five plasmids in which we replaced the N-terminal transmembrane region of CYP53A15 with a portion of the N-terminus of various mammalian P450s. PHBA productivity was the greatest when CYP53A15 expression was induced at $20^{\circ}C$ in $2{\times}YT$ medium in host E. coli strain ${\Delta}gcvR$ transformed with an N-terminal transmembrane region of rabbit CYP2C3. By optimizing each reaction condition (reaction temperature, substrate concentration, reaction time, and E. coli cell concentration), we achieved 90% whole-cell conversion of benzoate. Our data demonstrate that the described novel E. coli bioconversion system is a more efficient tool for PHBA production from benzoate than the previously described yeast system.
Archaebacteria Sulfolobus acidocaldarius contains the highly thermophilic cytochrome P450 enzyme (CYP119). CYP119 possesses stable enzymatic activity at up to $85^{\circ}C$. However, this enzyme is still considered as an orphan P450 without known physiological function with endogenous or xenobiotic substrates. We characterized the regioselectivity of lauric acid by CYP119 using the auxiliary redox partner proteins putidaredoxin (Pd) and putidaredoxin reductase (PdR). Purified CYP119 protein showed a tight binding affinity to lauric acid ($K_d=1.1{\pm}0.1{\mu}M$) and dominantly hydroxylated (${\omega}-1$) position of lauric acid. We determined the steady-state kinetic parameters; $k_{cat}$ was 10.8 $min^{-1}$ and $K_m$, was 12 ${\mu}M$. The increased ratio to $\omega$-hydroxylated production of lauric acid catalyzed by CYP119 was observed with increase in the reaction temperature. These studies suggested that the regioselectivity of CYP119 provide the critical clue for the physiological enzyme function in this thermophilic archaebacteria. In addition, regioselectivity control of CYP119 without altering its thermostability can lead to the development of novel CYP119-based catalysts through protein engineering.
Fungal cytochrome P450 (CYP) enzymes catalyze versatile monooxygenase reactions and play a major role in fungal adaptations owing to their essential roles in the production avoid metabolites critical for pathogenesis, detoxification of xenobiotics, and exploitation avoid substrates. Although fungal CYP-dependent biotransformation for the selective oxidation avoid organic compounds in yeast system is advantageous, it often suffers from a shortage avoid intracellular NADPH. In this study, we aimed to investigate the use of bacterial glucose dehydrogenase (GDH) for the intracellular electron regeneration of fungal CYP monooxygenase in a yeast reconstituted system. The benzoate hydroxylase FoCYP53A19 and its homologous redox partner FoCPR from Fusarium oxysporum were co-expressed with the BsGDH from Bacillus subtilis in Saccharomyces cerevisiae for heterologous expression and biotransformations. We attempted to optimize several bottlenecks concerning the efficiency of fungal CYP-mediated whole-cell-biotransformation to enhance the conversion. The catalytic performance of the intracellular NADPH regeneration system facilitated the hydroxylation of benzoic acid to 4-hydroxybenzoic acid with high conversion in the resting-cell reaction. The FoCYP53A19+FoCPR+BsGDH reconstituted system produced 0.47 mM 4-hydroxybenzoic acid (94% conversion) in the resting-cell biotransformations performed in 50 mM phosphate buffer (pH 6.0) containing 0.5 mM benzoic acid and 0.25% glucose for 24 h at $30^{\circ}C$. The "coupled-enzyme" system can certainly improve the overall performance of NADPH-dependent whole-cell biotransformations in a yeast system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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