ACS Sustainable Chemistry and Engineering - Discovery and Engineering of a Microbial Double-Oxygenating Lipoxygenase for Synthesis of Dihydroxy Fatty Acids as Specialized Proresolving Mediators
KSEE
2021-09-10
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원문링크: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.0c04793


연구 배경

Specialized proresolving mediators (SPMs)은 감염 및 조직 손상에 반응하는 인간의 M2 대식세포의 세포간 반응에 의하여 생성됩니다. 종류에는 리폭신, 레졸빈, 프로텍틴, 마레신 등이 있습니다. 이러한 물질들은 우수한 기능성을 갖기에 염증과 감염을 치료하는 주요 화합물로 주목받고 있습니다. 현재에 이르러 SPM은 화학적 방법을 이용하여 합성되어지는데 20-30단계를 포함하는 고가의 공정과 중금속 및 발암물질이 유발된다는 단점을 가지며, 세포 반응에 의한 SPM합성은 염증반응 동안 미량으로 생산되기에 대량생산으로 적합하지 않습니다. 또한 SPM 합성에 관여하는 포유류 효소의 활성은 현저히 낮고, 포유류의 효소는 숙주세포를 필요로 하기에 고가의 배지사용과 생산규모의 확대가 어렵습니다.


연구 성과

처음으로 발견된 SPM 생합성 박테리아 Archangium violaceum에서 이중 산소화를 통해 poly-unsaturated fatty acids를 SPM을 포함한 dihydroxy fatty acids (DiHFA)로 전환하는 것을 촉매하는 LOX를 확인했습니다. 이 효소는 DiHFA(5,15-DiHETE, 5,15-DiHEPE) 및 SPM (resolvin D5, resolvin D5n-3)의 합성을 가능하게 하였으며, 효소에 site directed mutagenesis를 사용하여 고유한 위치특이성을 변경하여 다양한 DiHFA(5,12-DiHETE, 5,12-DiHEPE) 및 SPM 유사체 (Epimer of MaR1, Epimer of MaR1n-3)를 합성하였습니다. 더불어 LOX를 사용하여 SPM을 포함하여 PUFA를 DiHFA로 정량적 생물학적 변환을 수행했습니다. 이에 효율적이고 친환경적인 생합성 공법을 green route로 구축하여 화학적 합성에 의한 환경오염을 극복하였습니다.


향후 계획

연구팀은 새롭게 발견한 효소를 이용하여 C18-PUFA를 기질로 다양한 plant oxylipin도 합성하고자 해당 실험을 진행 중이며, 기존과는 다른 대량 규모의 생산을 이끌고자 fermentation을 접목시켜 antifungal activity를 갖는 trihydroxy fatty acid의 생합성 연구를 계속하려 합니다. 또한 이러한 물질의 친환경적으로 생합성하기 위해 시작 기질을 natural oil로부터 시작하여 더 친환경적이고 경제적인 생합성을 이끌고자 계속해서 연구를 진행할 계획입니다.


Abstract
Specialized proresolving mediators (SPMs), such as resolvins and maresins, resolve inflammation and protect against infection at trace amounts generated by neutrophils and macrophages in humans. Thus, SPMs have been leading compounds in treatment of inflammation and infection. These mediators have been synthesized using chemical methods, which have disadvantages such as use of toxic chemical reagents, many (20–30) step reactions, and expensive processes. Here, we first discovered a human SPM-producing microorganism and found a 15-lipoxygenase (15-LOX) from the microorganism that produces SPMs via double oxygenation from polyunsaturated fatty acids. The 15-LOX was altered to 12-LOX using structure-based engineering. We performed the quantitative biocatalytic synthesis of SPMs by wild-type 15-LOX and engineered 12-LOX. Owing to the high double-oxygenating activities of LOXs, we succeeded in the one-enzyme biotransformation of docosahexaenoic acid and docosapentaenoic acid into the SPM resolvin D5 (RvD5, 7S,17S-dihydroxydocosahexaenoic acid) and RvD5n–3 DPA (7S,17S-dihydroxydocosapentaenoic acid) (40% conversion), respectively, by Escherichia coli expressing wild-type 15-LOX and into the 7S-epimer of maresin (MaR) 1 (7S,14S-dihydroxydocosahexaenoic acid) and 7S-epimer of MaR1n–3 DPA (7S,14S-dihydroxydocosapentaenoic acid) (20% conversion), respectively, by E. coli expressing engineered 12-LOX. Our study contributes to the environmentally friendly synthesis of medicinally important SPMs.