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Data Science-Driven Analysis of Substrate-Permissive Diketopiperazine Reverse Prenyltransferase NotF: Applications in Protein Engineering and Cascade Biocatalytic Synthesis of (−)-Eurotiumin A
Journal of the American Chemical Society ( IF 14.4 ) Pub Date : 2022-10-12 , DOI: 10.1021/jacs.2c06631 Samantha P Kelly , Vikram V Shende , Autumn R Flynn 1 , Qingyun Dan , Ying Ye , Janet L Smith , Sachiko Tsukamoto 2 , Matthew S Sigman 1 , David H Sherman
Journal of the American Chemical Society ( IF 14.4 ) Pub Date : 2022-10-12 , DOI: 10.1021/jacs.2c06631 Samantha P Kelly , Vikram V Shende , Autumn R Flynn 1 , Qingyun Dan , Ying Ye , Janet L Smith , Sachiko Tsukamoto 2 , Matthew S Sigman 1 , David H Sherman
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Prenyltransfer is an early-stage carbon–hydrogen bond (C–H) functionalization prevalent in the biosynthesis of a diverse array of biologically active bacterial, fungal, plant, and metazoan diketopiperazine (DKP) alkaloids. Toward the development of a unified strategy for biocatalytic construction of prenylated DKP indole alkaloids, we sought to identify and characterize a substrate-permissive C2 reverse prenyltransferase (PT). As the first tailoring event within the biosynthesis of cytotoxic notoamide metabolites, PT NotF catalyzes C2 reverse prenyltransfer of brevianamide F. Solving a crystal structure of NotF (in complex with native substrate and prenyl donor mimic dimethylallyl S-thiolodiphosphate (DMSPP)) revealed a large, solvent-exposed active site, intimating NotF may possess a significantly broad substrate scope. To assess the substrate selectivity of NotF, we synthesized a panel of 30 sterically and electronically differentiated tryptophanyl DKPs, the majority of which were selectively prenylated by NotF in synthetically useful conversions (2 to >99%). Quantitative representation of this substrate library and development of a descriptive statistical model provided insight into the molecular origins of NotF’s substrate promiscuity. This approach enabled the identification of key substrate descriptors (electrophilicity, size, and flexibility) that govern the rate of NotF-catalyzed prenyltransfer, and the development of an “induced fit docking (IFD)-guided” engineering strategy for improved turnover of our largest substrates. We further demonstrated the utility of NotF in tandem with oxidative cyclization using flavin monooxygenase, BvnB. This one-pot, in vitro biocatalytic cascade enabled the first chemoenzymatic synthesis of the marine fungal natural product, (−)-eurotiumin A, in three steps and 60% overall yield.
中文翻译：
底物许可二酮哌嗪反向异戊二烯基转移酶 NotF 的数据科学驱动分析：在蛋白质工程和 (−)-Eurotiumin A 的级联生物催化合成中的应用
异戊二烯转移是一种早期碳氢键 (C–H) 功能化，普遍存在于多种具有生物活性的细菌、真菌、植物和后生动物二酮哌嗪 (DKP) 生物碱的生物合成中。为了开发异戊二烯化 DKP 吲哚生物碱生物催化构建的统一策略，我们试图鉴定和表征底物允许的 C2 反向异戊二烯基转移酶 (PT)。作为细胞毒性诺托酰胺代谢物生物合成中的第一个剪裁事件，PT NotF 催化短维胺 F 的 C2 反向异戊烯转移。解析 NotF 的晶体结构（与天然底物和异戊烯供体模拟物二甲基烯丙基 S-硫代二磷酸 (DMSPP) 形成复合物）揭示了一个大的，暴露于溶剂的活性位点，提示 NotF 可能具有非常广泛的底物范围。为了评估 NotF 的底物选择性，我们合成了一组 30 种空间和电子分化的色氨酸 DKP，其中大部分在合成有用的转化（2 至 >99%）中被 NotF 选择性异戊二烯化。该底物库的定量表示和描述性统计模型的开发提供了对 NotF 底物混杂的分子起源的洞察。这种方法能够识别控制 NotF 催化的异戊二烯基转移速率的关键底物描述符（亲电性、大小和灵活性），并开发“诱导适合对接（IFD）引导”工程策略以提高我们最大的营业额基板。我们进一步证明了 NotF 与使用黄素单加氧酶 BvnB 的氧化环化串联的效用。这一锅，我们合成了一组 30 种空间和电子分化的色氨酸 DKP，其中大部分在合成有用的转化（2 至 >99%）中被 NotF 选择性异戊二烯化。该底物库的定量表示和描述性统计模型的开发提供了对 NotF 底物混杂的分子起源的洞察。这种方法能够识别控制 NotF 催化的异戊二烯基转移速率的关键底物描述符（亲电性、大小和灵活性），并开发“诱导适合对接（IFD）引导”工程策略以提高我们最大的营业额基板。我们进一步证明了 NotF 与使用黄素单加氧酶 BvnB 的氧化环化串联的效用。这一锅，我们合成了一组 30 种空间和电子分化的色氨酸 DKP，其中大部分在合成有用的转化（2 至 >99%）中被 NotF 选择性异戊二烯化。该底物库的定量表示和描述性统计模型的开发提供了对 NotF 底物混杂的分子起源的洞察。这种方法能够识别控制 NotF 催化的异戊二烯基转移速率的关键底物描述符（亲电性、大小和灵活性），并开发“诱导适合对接（IFD）引导”工程策略以提高我们最大的营业额基板。我们进一步证明了 NotF 与使用黄素单加氧酶 BvnB 的氧化环化串联的效用。这一锅，其中大部分在合成有用的转化中被 NotF 选择性异戊二烯化（2 至 >99%）。该底物库的定量表示和描述性统计模型的开发提供了对 NotF 底物混杂的分子起源的洞察。这种方法能够识别控制 NotF 催化的异戊二烯基转移速率的关键底物描述符（亲电性、大小和灵活性），并开发“诱导适合对接（IFD）引导”工程策略以提高我们最大的营业额基板。我们进一步证明了 NotF 与使用黄素单加氧酶 BvnB 的氧化环化串联的效用。这一锅，其中大部分在合成有用的转化中被 NotF 选择性异戊二烯化（2 至 >99%）。该底物库的定量表示和描述性统计模型的开发提供了对 NotF 底物混杂的分子起源的洞察。这种方法能够识别控制 NotF 催化的异戊二烯基转移速率的关键底物描述符（亲电性、大小和灵活性），并开发“诱导适合对接（IFD）引导”工程策略以提高我们最大的营业额基板。我们进一步证明了 NotF 与使用黄素单加氧酶 BvnB 的氧化环化串联的效用。这一锅，该底物库的定量表示和描述性统计模型的开发提供了对 NotF 底物混杂的分子起源的洞察。这种方法能够识别控制 NotF 催化的异戊二烯基转移速率的关键底物描述符（亲电性、大小和灵活性），并开发“诱导适合对接（IFD）引导”工程策略以提高我们最大的营业额基板。我们进一步证明了 NotF 与使用黄素单加氧酶 BvnB 的氧化环化串联的效用。这一锅，该底物库的定量表示和描述性统计模型的开发提供了对 NotF 底物混杂的分子起源的洞察。这种方法能够识别控制 NotF 催化的异戊二烯基转移速率的关键底物描述符（亲电性、大小和灵活性），并开发“诱导适合对接（IFD）引导”工程策略以提高我们最大的营业额基板。我们进一步证明了 NotF 与使用黄素单加氧酶 BvnB 的氧化环化串联的效用。这一锅，和灵活性）控制 NotF 催化的异戊二烯基转移的速率，以及“诱导适合对接（IFD）引导”工程策略的开发，以提高我们最大底物的周转率。我们进一步证明了 NotF 与使用黄素单加氧酶 BvnB 的氧化环化串联的效用。这一锅，和灵活性）控制 NotF 催化的异戊二烯基转移的速率，以及“诱导适合对接（IFD）引导”工程策略的开发，以提高我们最大底物的周转率。我们进一步证明了 NotF 与使用黄素单加氧酶 BvnB 的氧化环化串联的效用。这一锅，体外生物催化级联使海洋真菌天然产物 (−)-eurotiumin A 的首次化学酶合成分三步完成，总产率为 60%。
更新日期：2022-10-12
中文翻译：
底物许可二酮哌嗪反向异戊二烯基转移酶 NotF 的数据科学驱动分析：在蛋白质工程和 (−)-Eurotiumin A 的级联生物催化合成中的应用
异戊二烯转移是一种早期碳氢键 (C–H) 功能化，普遍存在于多种具有生物活性的细菌、真菌、植物和后生动物二酮哌嗪 (DKP) 生物碱的生物合成中。为了开发异戊二烯化 DKP 吲哚生物碱生物催化构建的统一策略，我们试图鉴定和表征底物允许的 C2 反向异戊二烯基转移酶 (PT)。作为细胞毒性诺托酰胺代谢物生物合成中的第一个剪裁事件，PT NotF 催化短维胺 F 的 C2 反向异戊烯转移。解析 NotF 的晶体结构（与天然底物和异戊烯供体模拟物二甲基烯丙基 S-硫代二磷酸 (DMSPP) 形成复合物）揭示了一个大的，暴露于溶剂的活性位点，提示 NotF 可能具有非常广泛的底物范围。为了评估 NotF 的底物选择性，我们合成了一组 30 种空间和电子分化的色氨酸 DKP，其中大部分在合成有用的转化（2 至 >99%）中被 NotF 选择性异戊二烯化。该底物库的定量表示和描述性统计模型的开发提供了对 NotF 底物混杂的分子起源的洞察。这种方法能够识别控制 NotF 催化的异戊二烯基转移速率的关键底物描述符（亲电性、大小和灵活性），并开发“诱导适合对接（IFD）引导”工程策略以提高我们最大的营业额基板。我们进一步证明了 NotF 与使用黄素单加氧酶 BvnB 的氧化环化串联的效用。这一锅，我们合成了一组 30 种空间和电子分化的色氨酸 DKP，其中大部分在合成有用的转化（2 至 >99%）中被 NotF 选择性异戊二烯化。该底物库的定量表示和描述性统计模型的开发提供了对 NotF 底物混杂的分子起源的洞察。这种方法能够识别控制 NotF 催化的异戊二烯基转移速率的关键底物描述符（亲电性、大小和灵活性），并开发“诱导适合对接（IFD）引导”工程策略以提高我们最大的营业额基板。我们进一步证明了 NotF 与使用黄素单加氧酶 BvnB 的氧化环化串联的效用。这一锅，我们合成了一组 30 种空间和电子分化的色氨酸 DKP，其中大部分在合成有用的转化（2 至 >99%）中被 NotF 选择性异戊二烯化。该底物库的定量表示和描述性统计模型的开发提供了对 NotF 底物混杂的分子起源的洞察。这种方法能够识别控制 NotF 催化的异戊二烯基转移速率的关键底物描述符（亲电性、大小和灵活性），并开发“诱导适合对接（IFD）引导”工程策略以提高我们最大的营业额基板。我们进一步证明了 NotF 与使用黄素单加氧酶 BvnB 的氧化环化串联的效用。这一锅，其中大部分在合成有用的转化中被 NotF 选择性异戊二烯化（2 至 >99%）。该底物库的定量表示和描述性统计模型的开发提供了对 NotF 底物混杂的分子起源的洞察。这种方法能够识别控制 NotF 催化的异戊二烯基转移速率的关键底物描述符（亲电性、大小和灵活性），并开发“诱导适合对接（IFD）引导”工程策略以提高我们最大的营业额基板。我们进一步证明了 NotF 与使用黄素单加氧酶 BvnB 的氧化环化串联的效用。这一锅，其中大部分在合成有用的转化中被 NotF 选择性异戊二烯化（2 至 >99%）。该底物库的定量表示和描述性统计模型的开发提供了对 NotF 底物混杂的分子起源的洞察。这种方法能够识别控制 NotF 催化的异戊二烯基转移速率的关键底物描述符（亲电性、大小和灵活性），并开发“诱导适合对接（IFD）引导”工程策略以提高我们最大的营业额基板。我们进一步证明了 NotF 与使用黄素单加氧酶 BvnB 的氧化环化串联的效用。这一锅，该底物库的定量表示和描述性统计模型的开发提供了对 NotF 底物混杂的分子起源的洞察。这种方法能够识别控制 NotF 催化的异戊二烯基转移速率的关键底物描述符（亲电性、大小和灵活性），并开发“诱导适合对接（IFD）引导”工程策略以提高我们最大的营业额基板。我们进一步证明了 NotF 与使用黄素单加氧酶 BvnB 的氧化环化串联的效用。这一锅，该底物库的定量表示和描述性统计模型的开发提供了对 NotF 底物混杂的分子起源的洞察。这种方法能够识别控制 NotF 催化的异戊二烯基转移速率的关键底物描述符（亲电性、大小和灵活性），并开发“诱导适合对接（IFD）引导”工程策略以提高我们最大的营业额基板。我们进一步证明了 NotF 与使用黄素单加氧酶 BvnB 的氧化环化串联的效用。这一锅，和灵活性）控制 NotF 催化的异戊二烯基转移的速率，以及“诱导适合对接（IFD）引导”工程策略的开发，以提高我们最大底物的周转率。我们进一步证明了 NotF 与使用黄素单加氧酶 BvnB 的氧化环化串联的效用。这一锅，和灵活性）控制 NotF 催化的异戊二烯基转移的速率，以及“诱导适合对接（IFD）引导”工程策略的开发，以提高我们最大底物的周转率。我们进一步证明了 NotF 与使用黄素单加氧酶 BvnB 的氧化环化串联的效用。这一锅，体外生物催化级联使海洋真菌天然产物 (−)-eurotiumin A 的首次化学酶合成分三步完成，总产率为 60%。
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