The cytochrome P450 complement of the myxobacterium Sorangium cellulosum So ce56 and characterization of two members, CYP109D1 and CYP260A1

Abstract

This is a very first systematic study of cytochrome P450s from Sorangium cellulosum So ce56. In chapter I, the open reading frames (ORFs) encoding twenty-one cytochrome P450s with nine novel families were identified, and a phylogenetic tree and a physical map were constructed. All P450 ORFs were cloned, expressed in Escherichia coli in a soluble form, purified and characterized. The heterologous redox partners for nine of the P450s were identified. A compound library (~17,000 ligands) was screened with four P450s, and potential substrates and inhibitors were identified. In chapter II, CYP109D1 was shown as a new fatty acid hydroxylase. The GC-MS analysis of TMS-derivatized products of fatty acids showed sub-terminal ω-hydroxylation without any terminal (ω) product. In this chapter, CYP109D1 was also shown as a new biocatalyst for the epoxidation and hydroxylation of monoterpenes like geraniol, nerol and limonene. Furthermore, the selective hydroxylation of sesquiterpenoids, α-ionone and β-ionone to 3-hydroxyα-ionone and 4-hydroxy-β-ionone, confirmed by 1H NMR and 13C NMR, are also shown. The regioselective hydroxylation of the sesquiterpenes was also explained by docking models. In chapter III, steroids (progesterone and DOC) were identified as analogues of potential substrates found by the screening of the compound library with CYP260A1. HPLC analysis of the in vitro products demonstrated the hydroxylation of both the steroids. Moreover, nootkatone, a sesquiterpene, was also shown to be hydroxylated and/or epoxidated by this novel P450.

Diese Arbeit ist die bislang erste systematische Untersuchung der Cytochrome P450 aus Sorangium cellulosum So ce56. In Kapitel I wurden die Offenen Leserahmen (ORF) für 21 Cytochrome P450 mit neun neuen Familien identifiziert; ein phylogenetischer Baum und eine physikalische Genkerte wurden erstellt. Alle P450 ORFs wurden kloniert, in löslicher Form in Escherichia coli exprimiert, gereinigt und charakterisiert. Die heterologen Redoxpartner für neun der P450 wurden identifiziert. Eine Bibliothek (~17.000 Liganden) wurde mit vier P450 gescreent und potentielle Substrate und Inhibitoren wurden identifiziert. Kapitel II beschreibt CYP109D1 als neue Fettsäurehydroxylase. GC-MS Analyse der TMS-derivatisierten Produkte der Fettsäuren zeigte ω-Hydroxylierung, aber kein terminales (ω) Produkt. In diesem Kapitel wurde CYP109D1 als ein neuer Biokatalysator für die Epoxidierung und Hydroxylierung von Monoterpenen gezeigt. Zudem wurden die Sesquiterpenoide α-ionon und β-ionon ebenso selektiv zu 3- Hydroxyα-ionon bzw. 4-Hydroxyβ-ionon hydroxyliert, was mittels 1H NMR und 13C NMR Analysen bestätigt werden konnte. Die regioselektive Hydroxylierung der Sesquiterpene konnten auch durch Docking-Modelle erklärt werden. In Kapitel III wurden die Steroide Progesteron und DOC als physiologisch signifikante Analoga der Substrat-Hits für CYP260A1 identifiziert. HPLC Analyse der in vitro Produkte zeigte die Hydroxylierung beider Steroide. Darüber hinaus wurde auch das Sesquiterpen Nootkaton von diesem neuen Cytochrom wurde hydroxyliert und/oder epoxidiert.