Catalytic performances of engineered and artificial heme peroxygenases  

血红素依赖的工程化改性过加氧酶的催化性能研究最新进展

作　　者：Yiping Jiang Zaw Ko Latt Zhiqi Cong 姜谊平;Zaw Ko Latt;丛志奇(中国科学院青岛生物能源与过程研究所光电转换与太阳能光电转化与利用重点实验室,青岛新能源山东省实验室,中国科学院生物燃料重点实验室,山东省合成生物学重点实验室,山东能源研究院,山东青岛266101;缅甸教育部生物技术研究部,缅甸皎施)

机构地区：[1]Key Laboratory of Photoelectric Conversion and Utilization of Solar Energy,Qingdao New Energy Shandong Laboratory,CAS Key Laboratory of Biofuels,Shandong Provincial Key Laboratory of Synthetic Biology,Shandong Energy Institute,Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266101,Shandong,China [2]Biotechnology Research Department,Ministry of Education,Kyaukse 05151,Myanmar

出　　处：《Chinese Journal of Catalysis》2025年第2期35-51,共17页催化学报(英文)

基　　金：科技部国家重点研发计划(2023YFA0915500);国家自然科学基金(32371311,32471325,22207112);泰山学者项目;中国科学院国际人才计划(2019PB0167);中国科学院青岛生物能源与过程研究所自主部署项目(S202302).

摘　　要：Heme peroxygenases exhibit remarkable catalytic versatility in facilitating a wide array of oxidative reactions under mild conditions,eliminating the need for coenzymes and intricate electron transport systems.This unique character underscores their essentiality and potential as promising tools in synthetic biology.Recent advancements in enzyme engineering have significantly enhanced the catalytic performance of both natural and artificial peroxygenases.Extensive engineering efforts have been directed towards unspecific peroxygenases and fatty acid peroxygenases,aiming to expand their substrate specificities,and enhance reaction selectivities,as well as increase enzyme stability.Furthermore,innovative strategies such as dual-functional small molecule-assisted systems and H_(2)O_(2) tunnel engineering have been harnessed to transform P450 monooxygenases into highly efficient peroxygenases,capable of catalyzing reactions with a variety of unnatural substrates.This review consolidates the latest progress in the engineered and artificial heme peroxygenases,emphasizing their catalytic performances as potent biocatalysts for sustainable organic synthesis.过加氧酶是一类重要的氧化酶,它们利用血红素作为辅基参与多种氧化反应.与依赖辅酶和复杂电子传递系统的单加氧酶和双加氧酶相比,过加氧酶能够直接在过氧化氢的驱动下催化底物氧化,该过程更加简洁高效,为有机合成、药物化学和合成生物学等领域提供了有力的工具.然而,天然血红素过加氧酶的种类有限,催化底物谱范围较窄,且活性有待进一步提升,这限制了其在工业中的应用.因此,通过酶工程手段对血红素过加氧酶进行改造,提升其催化性能,成为当前研究的重要方向.本文系统总结了近年来在血红素依赖性过加氧酶工程化改造领域,特别是针对非特异性过加氧酶(UPO)、脂肪酸过加氧酶以及人工改造的P450过加氧酶研究的最新进展.天然UPO具备相对广泛的催化底物谱,因此改造方向主要集中在反应活性、选择性及酶稳定性的提升。概述了通过晶体结构指导的定点突变和定向进化等技术,得到的多种改性后的UPO突变体,实现了稳定性、活性、选择性和底物谱等催化性能显著提升.具体评析了改性UPO高效选择性催化生成多种包括维生素、药物代谢产物等高附加值非天然产物,同时,还介绍了UPO对有机过氧化物外消旋体中特定对映体选择性的富集效果.此外,针对天然P450脂肪酸过加氧酶,特别是CYP152家族的成员,如P450SPα,P450BSβ和P450OleT,尽管野生型已有一定的过加氧反应能力,但通过工程化手段可进一步拓宽其底物范围、增强催化效率并改善选择性.文中概述了近期通过蛋白质工程手段改性的P450脂肪酸过加氧酶研究进展,其中包括高效手性-内酯合成酶、苯乙烯环氧化酶等系列过加氧酶,展示了工程化改性后的天然P450过加氧酶在精细化学品合成中的巨大潜力.另外,在P450单加氧酶向过加氧酶的人工转化方面,研究人员通过定向进化、理性设计、双功能小分子(DFSM)

关 键 词：Peroxygenases Hydrogen peroxide Cytochrome P450 peroxygenases Unspecific peroxygenases Protein engineering 

分 类 号：O643.32[理学—物理化学]