Biotechnologically important biotransformations by CYP106A2 and CYP109E1 from Bacillus megaterium

Abstract

Cytochrome P450s are natural catalysts capable of performing many chemically challenging reactions under mild conditions with high regio- and stereo-selectivity. Biotransformations of various biotechnologically and pharmaceutically important compounds with two P450s from Bacillus megaterium, CYP106A2 and CYP109E1, were studied within this work. The investigated compounds include steroidal drugs, sterols, statins, flavorings and odorants. The reactions were characterized through binding titrations, in vitro conversions using the bovine adrenal redox chain, and whole-cell biotransformations with P450-based systems in B. megaterium. The results showed the 15β hydroxylase activity of CYP106A2 towards glucocorticoid drugs, prednisone and dexamethasone. Applying different CYP106A2-based whole-cell systems, the production of the 15β-hydroxylated drugs and new drug derivatives was demonstrated. Furthermore, the substrate range of CYP109E1 was expanded with 13 compounds. Selective transformations of new substrates were accomplished by CYP109E1 in vitro as well as in vivo and biotechnologically attractive reactions were identified. Among them, the conversion of compactin to pravastatin was further investigated with CYP109E1 mutants, identifying a variant with 2.5 times greater productivity. Furthermore, CYP109E1 was shown to produce valuable oxysterols and a whole-cell biocatalyst was established in E. coli showing 3.3-fold higher activity than the B. megaterium system.

Cytochrome P450 sind natürlich vorkommende Biokatalysatoren, die eine Vielzahl chemisch anspruchsvoller Reaktionen unter milden Bedingungen mit einer hohen Regio- und Stereoselektivität durchführen. Die Biotransformation von biotechnologisch and pharmazeutisch wichtigen Verbindungen (steroidale Medikamente, Sterole, Statine, Aroma- und Geruchsstoffe) wurde mit den Enzymen CYP106A2 und CYP109E1 aus Bacillus megaterium untersucht. Die Charakterisierung dieser Reaktionen erfolgte mittels Bindungsstudien, in vitro Umsätzen unter Verwendung der bovinen adrenalen Redox-Kette und Ganzzell-Biokatalyse in B. megaterium. CYP106A2 zeigte eine 15β-Hydroxylase-Aktivität gegenüber den Glucocorticoid Arzneimitteln, Prednison und Dexamethason. Unter Einsatz verschiedener B. megaterium Stämme konnte die Produktion von 15β-hydroxy-Steroiden sowie neuer Arzneimittelderivate erreicht werden. Des Weiteren wurde das Substratspektrum von CYP109E1 um 13 Verbindungen erweitert. Durch die selektiven in vitro und in vivo Umsätze dieser neuen Substrate mittels CYP109E1 konnten biotechnologisch interessante Reaktionen gefunden werden. Der Umsatz von Compactin zu Pravastatin wurde dabei näher untersucht, wobei eine CYP109E1 Mutante eine 2,5-fach höhere Produktivität zeigte. Zudem konnte CYP109E1 zur Produktion wertvoller Oxysterole eingesetzt werden. Mit Hilfe eines neuen Ganzzell-Systems in E. coli konnte deren Ausbeute im Vergleich zu dem B. megaterium System um das 3,3-fache gesteigert werden.