Catalytic promiscuity of a proline-based tautomerase

Promiscue enzym 4-oxalocrotonaat tautomerase goed startpunt ontwikkeling nieuwe biokatalysatoren

Een opmerkelijk voorbeeld van een enzym met brede katalytische promiscuïteit is 4-oxalocrotonaat tautomerase (4-OT). Dit enzym katalyseert van nature een enol-keto tautomerisatie, maar kan ook promiscue koolstof-koolstofbindingvormende Michael-type addities en aldolreacties katalyseren. Mehran Rahimi onderzocht het mechanisme waarmee 4-OT deze onnatuurlijke reacties katalyseert en heeft bewijs geleverd voor katalyse via een covalent gebonden enamine.

Er zijn verschillende enzymen bekend die naast de natuurlijke activiteit waarvoor ze geëvolueerd zijn, aanvullende en compleet nieuwe reacties kunnen katalyseren. Dit fenomeen, katalytische promiscuïteit genoemd, heeft zich bewezen als een succesvolle leidraad voor de ontwikkeling van nieuwe biokatalysatoren die gebruikt kunnen worden voor organische synthese.

Het enzym met brede katalytische promiscuïteit 4-OT katalyseert van nature een enol-ketotautomerisatie als onderdeel van een afbraakroute voor aromatische koolwaterstoffen, maar kan ook, promiscue koolstof-koolstofbindingvormende Michael-type addities en aldolreacties katalyseren. Rahimi onderzocht het mechanisme waarmee 4-OT deze onnatuurlijke reacties katalyseert en heeft bewijs geleverd voor katalyse via een covalent gebonden enamine. Proton-deuteriumuitwisseling en kristallografische studies van 4-OT in de aanwezigheid van acetaldehyde bevestigden dat een proline in het actieve centrum (Pro-1) reageert met acetaldehyde en daarmee een enamine vormt. Een reactie tussen dit nucleofiele enamine en een electrofiel substraat, zoals benzaldehyde of trans-β-nitrostyreen, resulteert in de formatie van een koolstof-koolstofbinding.

Rahimi heeft tevens aangetoond dat 4-OT verschillende inter- en intramoleculaire aldolreacties kan katalyseren. Door middel van een systematische mutagenese methode zijn ‘hotspots’ in 4-OT geïdentificeerd waar enkelvoudige mutaties zorgen voor een verhoging in aldolaseactiviteit. Analyse van een verzameling van 4-OT mutanten waarbij deze hotspot-posities gerandomiseerd waren, leidde tot de identificatie van 4-OT-mutanten met sterk verhoogde aldolaseactiviteiten.

Rahimi’s resultaten geven dus aan dat een promiscue tautomerase een goed startpunt is voor de ontwikkeling van nieuwe biokatalysatoren voor belangrijke en uitdagende aldolreacties.

Mehran Rahimi promoveert aan de RUG op onderzoek dat hij uitvoerde bij de vakgroep Farmaceutische Biologie van onderzoekschool GRIP.

Proefschrift: http://hdl.handle.net/11370/2b47d387-d774-4b97-b3cc-9dfd19574435