Identification and characterization of flavoprotein monooxygenases for biocatalysis

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2021
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En los últimos años se han desarrollado una variedad de enzimas para una gran cantidad de aplicaciones biotecnológicas, haciendo que hoy en día, la biocatálisis tenga un papel fundamental en la sociedad. Los nuevos avances en biocatálisis tienen como objetivo reducir el impacto ambiental de los procesos químicos. En este contexto, ya hace mucho tiempo que la biocatálisis abandonó la mera curiosidad academica; hoy en día se ha convertido en un campo maduro y ampliamente explotado, como por ejemplo, por las industrias química y farmacéutica. Esto ocurrió porque los biocatalizadores (enzimas) permiten un control estricto sobre la selectividad de sus reacciones, esto hace a las enzimas alternativas exquisitas para catálisis química. Por otro lado, también contribuyen al desarrollo de una industria más ecológica y a destapar nueva química que está aún sin explotar. Las flavoenzimas son un excelente ejemplo de biocatalizadores biotecnológicamente interesantes. Estas enzimas son máquinas biomoleculares altamente versátiles que realizan una amplia gama de reacciones y representan una gran cantidad de los biocatalizadores que actualmente se encuentran disponibles para la química RedOx. La flavoenzimología es un campo multidisciplinario, cuyo objetivo es aumentar la comprensión general de estas enzimas que contienen flavina como cofactor. Esto último, bajo un profundo enfoque en el estudio de los mecanismos catalíticos, propiedades cinéticas y relaciones de secuenciaestructura- función. Una mejor comprensión de estas enzimas ha permitido el desarrollo de biocatalizadores mejorados. En el Capítulo 1, las ventajas de la biocatálisis para las reacciones de oxidación de tipo Baeyer-Villiger son bien ejemplificadas. Aunque el método químico para tales oxidaciones ofrece una ruta sintética simple para oxidar cetonas en ésteres o lactonas, requiere el uso de reactivos peligrosos. Además, son típicamente no quimio-, regio- o enantioselectivos. Como alternativa atractiva, las monooxigenasas de tipo Baeyer-Villiger (BVMOs) que contienen flavina como grupo prostético, se han investigado durante mucho tiempo por su alto potencial biocatalítico[1-5]. En las últimas décadas se han descubierto o diseñado varias BVMOs que exhiben actividades adecuadas para la síntesis de compuestos valiosos. En el capítulo 1, resumimos el estado del arte del uso de estas enzimas como biocatalizadores, nos centramos así en sus propiedades bioquímicas, mecanísticas y estructurales. Aunque pareciera ser un campo relativamente maduro, todavía existen desafíos que los flavoenzimólogos deben desentrañar. Limitaciones como estabilidad moderada, baja especificidad y la dependencia de cofactores, a menudo disminuyen las opciones de ser usadas a nivel industrial. De todos modos, actualmente, se está avanzando en la superación de todas estas limitaciones. Muchas (flavo)enzimas dependen de cofactores disociables para la catálisis, como el NAD(P) H. Los costos relacionados con tal dependencia de cofactores pueden superarse en parte, mediante el uso de enzimas bifuncionales autosuficientes que regeneran el cofactor de manera eficiente. En el capítulo 2, diseñamos un protocolo experimental para evaluar el efecto de la longitud de un linker flexible rico en glicinas sobre las propiedades de fusiones de TbADH y TmCHMO. Este protocolo experimental permite la generación de biocatalizadores optimizados. Además, el procedimiento se puede modificar fácilmente para generar una biblioteca similar de otras proteínas de fusión. Como reacción de demostración, las enzimas de fusión ADH-BVMO generadas, se analizaron para la síntesis de ε-caprolactona, un precursor de polímero valioso, usando ciclohexanol como sustrato inicial de la cascada. Tal reacción aprovecha el hecho de que ambas actividades enzimáticas satisfacen su dependencia de cofactor: la actividad ADH convierte NADP+ en NADPH, mientras que, a su vez, la actividad BVMO oxida NADPH en NADP+. Además, los biocatalizadores bifuncionales fusionados pueden mejorar la estabilidad de la proteína y promover la canalización de intermediarios del producto por efectos de proximidad. Vale la pena mencionar, que no existen reglas uniformes para diseñar linkers óptimos para proteínas de fusión. Sin embargo, un enlazador “incorrecto” puede provocar efectos perjudiciales sobre el rendimiento biocatalítico[6]. El trabajo presentado se enfocó en la evaluación del efecto de quince variantes de linker de diferente largo sobre la: expresión, termoestabilidad, actividad y niveles de conversión. Todas las variantes obtenidas exhibieron altos niveles de expresión (250-360 mg L-1) y se obtuvieron principalmente como holoproteínas (según la razón A280:A440). Tanto para TmCHMO como para TbADH, se observó que la longitud del linker no mostró un efecto perjudicial significativo sobre su termoestabilidad. En cuanto a la actividad, las actividades de oxidación del alcohol (ADH) y sulfoxidación (BVMO) fueron similares para las 9 variantes más cortas, mientras que las fusiones con la longitud del conector de 10, 12 y 15 aminoácidos mostraron una actividad ligeramente aumentada. Las bioconversiones a pequeña escala dieron como resultado turnover numbers (TON) más altos para las fusiones con linker de 2, 3, 6, 7, 13 y 14 aminoácidos (TON de 20.000-25.000). El TON de la reacción control catalizada por las enzimas no fusionadas fue de alrededor de 12.000. En el capítulo 3, estudiamos la reactividad de flavoenzimas con dioxígeno, un tema fascinante para la flavoenzimólogia. El dioxígeno es un oxidante de cuatro electrones que puede activarse enzimáticamente y reducirse a peróxido de hidrógeno o agua mediante transferencias consecutivas de un electrón. En algunos casos, se pueden formar otras especies reactivas de oxígeno (ROS), como el superóxido. En el capítulo 3, investigamos la formación de ROS —o desacoplamiento— durante la reducción de dioxígeno mediada por el cofactor de flavoproteínas (oxidasas y monooxigenasas), utilizando PAMOWT, PAMOC65D, EUGO y HMFO como enzimas a analizar. El análisis del desacoplamiento en flavoproteínas es de gran relevancia porque el ROS tienen un papel relevante en biología (transduccion de señales), por otro lado, puede complicar el uso de flavoenzimas como biocatalizadores. Además, el mecanismo de formación de ROS mediada por flavoenzimas aún no se comprende completamente. Para este capítulo, se determinaron perfiles precisos de producción de peróxido de hidrógeno y superóxido en diferentes condiciones operativas para todas las flavoenzimas estudiadas. Sorprendentemente, se descubrió que todas las proteínas producen cantidades significativas de superóxido. Además, se detectaron mayores de esta molécula a pH más altos, esto sugiere una disociación de los pares de radicales sensible al pH. A pesar de la acumulación de superóxido, no se demostró ningún efecto perjudicial de este sobre la biocatálisis. Curiosamente, para PAMOWT y EUGO, la adición de catalasa aumentó significativamente el rendimiento catalítico. Los resultados proporcionan una mejor visión de las condiciones que promueven la formación de ROS en flavoenzimas y podría ayudar a reducir la formación de estas especies a nivel industrial, evitando el desperdicio de valiosos equivalentes reductores. La segunda parte de esta tesis trata de la identificación y caracterización de varias monooxigenasas que contienen flavina. Estudios sobre nuevas flavoenzimas proporcionan más información sobre la química con enzimas naturales y también pueden conducir a nuevas aplicaciones biocatalíticas. En el capítulo 4, en colaboración con el Instituto de Microbiología del ETH (Zürich, Suiza), se estudió la participación de BVMO en la producción de algunos policétidos específicos. Se demostró que BVMO de origen bacteriano eran capaz de insertar un atomo de oxígeno a través de una oxidación de Baeyer- Villiger en esqueletos de policétido naciente. Se establecieron las propiedades bioquímicas de dos BVMOs: Oock y LmbC-Ox. Finalmente, se demostró que estas flavoenzimas están involucradas en la biosíntesis de los metabolitos secundarios oocidina y lobatamida. El Capítulo 5 describe los esfuerzos para encontrar prometedoras flavin-containing monooxigenases (FMOs) de tipo I o tipo II. Mediante minería genómica, identificamos dos proteínas: una de origen bacteriano (Chloroflexi) y otra proveniente del tardígrado Hypsibius dujardini: CbFMO (FMO de tipo II) y HdFMO (FMO de tipo I), respectivamente. Ambas enzimas mostraron características bioquímicas distintas. HdFMO mostró solo actividad con sulfuros, y solo aceptó NADPH como donante de hidruro, además de presentar una termoestabilidad moderada (TM app de 45 ° C). Por el contrario, CbFMO convirtió preferentemente cetonas en los respectivos ésteres o lactonas y mostró una baja termoestabilidad (TM app de 34 ° C). La motivación para estudiar CbFMO, un FMO de tipo II, se debió en parte, a que este grupo de enzimas han sido descritas con una promiscua especificidad por el cofactor de nicotinamida[7]. Sin embargo, se encontró que CbFMO tiene una fuerte preferencia por NADPH. Por lo tanto, en comparación con la colección ya descrita de monooxigenasas de flavoproteínas, ambas FMO no parecieron muy atractivas para procesos biocatáliticos. Finalmente, en el capítulo 6, se identificaron dos BVMO de tipo I de Streptomyces leeuwenhoekii C34: Sle_13190 y Sle_62070. Ambas enzimas se expresaron con éxito, fusionadas con un regenerador de cofactor (fosfito deshidrogenasa). Al igual que otros BVMO de tipo I, ambas proteínas mostraron oxidación de Baeyer-Villiger dependiente de NADPH. Las secuencias de Sle_13190 y Sle_62070 se asociaron basándose en la homología de secuencia, con otras BVMOs descritas que actúan sobre compuestos voluminosos. En este contexto, no fue sorprendente que aceptaran como sustrato compuestos bastante complejos, incluidos bifenilos y un esteroide. Además, se encontró que ambas enzimas eran moderadamente robustas, exhibiendo una TM app de 45 ° C y tolerancia a cosolventes miscibles en agua. En particular, se encontró que Sle_62070 es altamente activo con cetonas cíclicas y mostró una alta regioselectividad produciendo solo la lactona de 2-fenilciclohexanona, y una alta enantioselectividad para la conversion de biciclo[3.2.0]hept-2- en-6-ona produciendo solo las lactonas (-)-1S, 5R normal y (-)-1R, 5S abnormal (e.e. > 99 %). Estas dos BVMOs recién descubiertas pueden convertirse en valiosas adiciones a la colección de BVMOs. El trabajo descrito en esta tesis proporcionó varias enzimas nuevas, que pueden emplearse como biocatalizadores, además de nuevos conocimientos sobre sus propiedades catalíticas. El trabajo recalca que los ambientes extremos pueden ser una gran fuente de enzimas robustas sin explotar, como se demostró con las dos BVMOs identificadas en una bacteria aislada del desierto de Atacama (capítulo 6). Además, se obtuvo y estudió una flavoenzima de un tardígrado, un animal microscópico que se puede criopreservarse, el cual no se había considerado antes como fuente de biocatalizadores. Desafortunadamente, esta busqueda no condujo a la obtencion de un catalizador muy prometedor. Muestra de que los organismos que pueden sobrevivir en condiciones extremas no siempre (solo) albergan biocatalizadores robustos. Además de explorar las secuencias de genomas de microorganismos (termófilos), el empleo de un enfoque metagenómico también puede ser de alta útilidad para la busqueda de enzimas con enfoque industrial. Los enfoques metagenómicos actuales permiten el manejo de fuentes ricas en materia biosintetica oscura, lo que puede conducir a descubir nueva (bio)química[8,9]. En este sentido, el esfuerzo combinado en el descubrimiento de nuevas enzimas, estudios de mecanismos y la ingeniería de enzimas hará que las reacciones biocatalíticas sean aún más eficientes, fiables y amigables con el medio ambiente. Esto permitirá que la biocatálisis sea un competidor sustentable a las rutas químicas clásicas, permitiendo nuevas aplicaciones basadas en enzimas a nivel industrial.
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Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2021
Tesis (Ph.D.)--University of Groningen, 2021
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