Exploring the substrate range of selected myxobacterial cytochromes P450 from Sorangium cellulosum So ce56

Abstract

Cytochromes P450 are highly versatile biocatalysts due to their ability to introduce molecular oxygen into a non-activated C-H bond. In this work, nine P450 enzymes from Sorangium cellulosum So ce56 were investigated concerning their substrate range and catalytic biodiversity. Hence, terpenes, terpenoids, carotenoid-derived aroma compounds, aromatic compounds and drugs were tested as potential substrates for CYP109C1, CYP109C2, CYP109D1, CYP260A1, CYP260B1, CYP264A1, CYP264B1, CYP267A1 and CYP267B1. Those systems showing a highly selective product pattern towards a single product were chosen to be scaled up in an E. coli based whole-cell system for the formation of sufficient amounts of products for structure elucidation via NMR spectroscopy. During these studies, tricyclic psychotherapeutic drugs, ionones, damascones as well as terpenes and terpenoids were identified as novel substrates for some the tested P450s and several of their products were characterized. For the carotenoid-derived aroma compounds and sesquiterpenes, novel products such as the hydoxylated derivatives of allyl-ionones and δ-damascone or the oxyfunctionalized derivatives of zerumbone and cedrenol were identified, whereas the conversion of tricyclic drugs led to the same metabolites as those produced by human P450s. These results demonstrate the high diversity towards the substrate range and reaction types performed by the myxobacterial P450s and, therefore, their potential biotechnological applications.

Cytochrome P450 sind vielseitig einsetzbare Biokatalysatoren, da sie molekularen Sauerstoff in eine nicht aktivierte C-H Bindung einbauen können. In dieser Arbeit wurden neun P450 Enzyme von Sorangium cellulosum So ce56 bezüglich ihrer Substratspezifität und katalytischen Vielfalt untersucht. Aus diesem Grund wurden Terpene, Terpenoide, Norisoprenoide, aromatische Moleküle und pharmazeutische Wirkstoffe als potentielle Substrate für CYP109C1, CYP109C2, CYP109D1, CYP260A1, CYP260B1, CYP264A1, CYP264B1, CYP267A1 und CYP267B1 untersucht. Die Substrate, deren Produktmuster eine hohe Selektivität für ein einzelnes Hauptprodukt zeigen, wurden mit Hilfe eines Ganzzellsystems im großen Maßstab umgesetzt, um eine ausreichende Menge an Produkt für die NMR Analyse zu erhalten. Dabei wurden trizyklische Psychopharmaka, Ionone, Damascone sowie verschiedene Terpene und Terpenoide als neue Substrate für einige dieser P450s identifiziert. Für die Norisoprenoide und Sesquiterpene wurden die hydroxylierten δ-Damascon- und Allyl-ionon-Derivate sowie die oxidierten Zerumbon- und Cedrenolderivative als neue Produkte identifiziert. Im Gegensatz dazu wurden die trizyklischen Wirkstoffe zu den gleichen Metaboliten umgesetzt, die schon von den humanen P450s bekannt sind. Diese Ergebnisse verdeutlichen die potentiellen biotechnologischen Anwendungsgebiete der myxobakteriellen P450s aufgrund ihres großen Substratspektrums sowie ihrer katalytischen Vielfältigkeit.