Enzymatic and bioinspired iron oxidation chemistry: a computational study

Abstract

The oxidative activation of C(sp3)–H bonds under ambient conditions represents a challenge to modern chemistry, nevertheless it is commonly operated in Nature by various oxygenases in key metabolic transformation and biological synthesis. In these enzymes, pre-organized active sites containing powerful electrophilic high-valent heme and non-heme iron-oxo intermediates are capable of stabilizing the transition state, thereby enhancing the reaction rate. In this regard, the spin state and metal coordination are pivotal, determining whether a reaction channel with lower (or higher) activation barrier is operative. On the other hand, besides ordered pockets, enzymes are inherently dynamic and their function is usually connected to accessible conformational states that can be sampled in solution. Laboratory evolution can alter enzymes conformational dynamics by modifying the natural amino acid sequence, populating active states which lead to enhanced catalytic traits or even enable novel functions. However, enzyme engineering can also profoundly impact evolvability, since the phenotypic consequences of sequence mutagenesis may ultimately depend upon the genetic background, which is best know as epistasis.

This thesis presents a computational investigation of the C–H oxidative hydroxylation catalysed by both P450 enzymes and biologically inspired non-heme iron-oxo complexes, and includes inherently orthogonal aspects owing to the wide range of sizes and features of the systems studied, embracing the intrinsic chemical reactivity of C–H activation, as well as conformational dynamics, epistasis and their implications on the catalytic traits of laboratory-evolved P450-BM3 monooxygenase mutants

L’activació del enllaços de C(sp3)–H sota condicions ambientals representa un dels reptes actuals per a la química moderna, encara que a la Natura és comunament efectuat per diverses oxigenasas en processos clau de transformació metabòlica i síntesis biològica. Els centres actives dels enzims oxigenases presenten una pre-organització precisa i concreta que li ofereix crear un espai electrofílic amb poderosos intermedis hemo i no-hemo de ferro-oxo d’alta valència capaços d’estabilitzar l’estat de transició, millorant així la velocitat de la reacció. Referent a això, l’estat d’espín i la coordinació del metall són essencials, ja que determinen si una reacció és operativa a través d’una via de reacció amb barrera d’activació inferior (o superior). Per altra banda, a part del centres actius ordenats, els enzims són inherentment dinàmics i la seva funció també està connectada als diferents estats conformacionals que s’exploren i que són accessibles en solució. L’evolució de laboratori pot alterar la dinàmica d’aquests estats conformacionals, modificant la seqüència d’aminoàcids naturals de l’enzim, de manera que es pot incrementar la població de conformacions actives que condueixen a estats de l’enzim amb trets catalítics millorats o inclús estats que presenten noves funcionalitats.

No obstant això, l'enginyeria enzimàtica també pot afectar profundament l'evolucionabilitat, ja que les conseqüències fenotípiques de la mutagènesi de la seqüència poden dependre en última instància del fons genètic, que es coneix millor com epistasi.

Aquesta tesi presenta una investigació computacional de la hidroxilació oxidativa C–H catalitzada tant pels enzims P450 com pels complexos ferro-oxo no hemo bioinspirats, i inclou aspectes inherentment ortogonals a causa de l’àmplia gamma de mides i característiques dels sistemes estudiats, que abasten la reactivitat química intrínseca de l’activació C–H, així com la dinàmica conformacionals, l'epistasi i les seves implicacions en els trets catalítics dels mutants de la monooxigenasa P450-BM3 desenvolupats al laboratori