원문링크: https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cssc.202100944

연구 배경

P450 효소들은 C-H 결합 산소기능화(oxyfunctionalization)가 가능한 매우 중요한 촉매임. P450 효소들은 촉매작용을 하기 위해서는 환원효소로부터 전자를 받아서 반응 촉매함. 이 때 고가의 조효소(cofactor)인 NADPH와 환원효소가 필요함. 고가의 NADPH/환원효소가 P450 효소의 산업적 활용을 저해함. 고가의 NADPH/환원효소를 대체할 수 있는 촉매시스템이 요구됨.

연구 성과

NADPH/환원효소 대신 저가 자연 염료인 감광제 flavin를 사용하는 ‘P450 광-생촉매’ 시스템 개발하였음. 값비싼 조효소/환원효소 없이 빛과 자연 염료인 flavin 만으로 사람 P450 효소반응을 촉매함을 증명하였음 또한 여러 종류의 사람 P450 효소들을 이용한 경우에도 이 플랫폼을 적용할 수 있음을 증명하였음. Flavin은 광반응에 의해 전자를 heme에 직접 전달시킬 수 있는 것을 확인 하였으며, 이러한 광촉매 반응은 4-nitrophenol, chlorzoxazone, statin drugs, estradiol을 기질로 이용하여 여러 human P450들도 동일하게 촉매함을 확인.

향후 계획

공동 연구팀은 “광반응에 의해 고가의 조효소/환원효소가 필요없는 P450 및 peroxygenase(UPO) 효소반응 촉매 방법 개발”에 활용 하고자 함. 광반응을 이용한 효소 시스템은 산업적으로 지속적이고 확장 가능한 플랫폼 개발에 활용하고자 함. 산업용 P450 및 peroxygenase(UPO) 효소 개발에 필수적인 in situ hydrogen peroxide generation 시스템 개발에 활용할 계획임.

Abstract

Photobiocatalysis is a green platform for driving redox enzymatic reactions using solar energy, not needing high-cost cofactors and redox partners. Here, a visible light-driven whole-cell platform for human cytochrome P450 (CYP) photobiocatalysis was developed using natural flavins as a photosensitizer. Photoexcited flavins mediate NADPH/reductase-free, light-driven biocatalysis by human CYP2E1 both in vitro and in the whole-cell systems. In vitro tests demonstrated that the photobiocatalytic activity of CYP2E1 is dependent on the substrate type, the presence of catalase, and the acid type used as a sacificial electron donor. A protective effect of catalase was found against the inactivation of CYP2E1 heme by H2O2 and the direct transfer of photo-induced electrons to the heme iron not by peroxide shunt. Furthermore, the P450 photobiocatalysis in whole cells containing human CYPs 1A1, 1A2, 1B1, and 3A4 demonstrated the general applicability of the solar-powered, flavin-mediated P450 photobiocatalytic system.