Substrate characterization and protein engineering of bacterial cytochrome P450 monooxygenases for the bio-based synthesis of omega-hydroxylated aliphatic compounds

Abstract

The selective oxyfunctionalization of alkanes and fatty acids is a challenging task in basic and applied chemistry. Biocatalysts belonging to the superfamily of cytochrome P450 monooxygenases (CYPs) can introduce oxygen into a wide variety of molecules in a very regio- and stereospecific manner, which can be used for the synthesis of fine and bulk chemicals. CYPs from the bacterial CYP153A subfamily have been described as alkane hydroxylases with high terminal regioselectivity. In the present work, CYP153A monooxygenases were screened for the synthesis of industrially relevant omega-hydroxylated aliphatic compounds, such as primary alcohols, alpha,omega-diols, omega-hydroxyfatty acids (omega-OHFAs) and alpha,omega-dicarboxylic acids (alpha,omega-DCAs). One enzyme candidate was tailored by rational design and applied in whole cell biotransformations with recombinant E. coli or Pseudomonas strains. The biocatalytic systems were further improved by utilizing a fusion enzyme construct for increased coupling efficiency.

In summary, this work constitutes the first example of rational engineering of a CYP153A enzyme, which allowed the identification of key residues for activity and substrate specificity within the enzyme subfamily. CYP153A enzymes have also been applied for the first time in the omega-hydroxylation of fatty acids. Comparative in vivo studies with recombinant E. coli and P. putida cells provided information on the effects of host strains on product yields, eventually leading to the generation of an efficient bacterial whole cell biocatalyst for the synthesis of selected omega-hydroxylated aliphatic compounds.

Die selektive Oxyfunktionalisierung von Alkanen und Fettsäuren ist eine herausfordernde Aufgabe sowohl in der chemischen Grundlagenforschung als auch in der angewandten Chemie. Biokatalysatoren aus der Superfamilie der Cytochrom-P450-Monooxygenase Enzyme (CYPs) können Sauerstoff regio- und stereospezifisch in eine Vielzahl von Molekülen einbauen, welche zur Synthese von Fein- und Bulk-Chemikalien verwendet werden können. CYPs aus der bakteriellen Unterfamilie CYP153A sind als Alkan-Hydroxylasen mit hoher terminaler Regioselektivität beschrieben worden. In der vorliegenden Arbeit wurden CYP153A Monooxygenasen durch Substrat-Screening für die Darstellung industriell relevanter omega-hydroxylierter, aliphatischer Verbindungen, wie primäre Alkoholen, alpha,omega-Diole, omega-Hydroxyfettsäuren (omega-OHFAs) und alpha,omega-Dicarbonsäuren (alpha,omega-DCAs), getestet. Ein Enzym-kandidat wurde durch rationales Design angepasst und für Ganzzellbiotransformationen mit rekombinanten E. coli oder Pseudomonas Stämmen verwendet. Die biokatalytischen Systeme wurden durch Verwendung eines Fusionskonstrukts für erhöhte Kopplungseffizienz verbessert.

Zusammenfassend stellt diese Arbeit das erste Beispiel für das Engineering eines CYP153A-Enzyms durch rationales Design dar, welches die Identifizierung wichtiger Aminosäurereste für die Aktivität und die Substratspezifität der Enzym-Unterfamilie ermöglichte. CYP153A-Enzyme wurden ebenfalls zum ersten Mal in der omega-Hydroxylierung von Fettsäuren angewandt. Vergleichende in-vivo-Untersuchungen mit rekombinanten E. coli und P. putida-Zellen stellen Informationen über die Einwirkung von Wirtsstämmen auf Produktausbeuten bereit, was schließlich zu der Erzeugung eines effizienten bakteriellen Ganzzellbiokatalysators zur Synthese ausgewählter omega-hydroxylierter, aliphatischer Verbindungen führen kann.