Keeping the spotlight on cytochrome P450

Abstract

This review describes the recent advances utilizing photosensitizers and visible light to harness the synthetic potential of P450 enzymes. The structures of the photosensitizers investigated to date are first presented along with their photophysical and redox properties. Functional photosensitizers range from organic and inorganic complexes to nanomaterials as well as the biological photosystem I complex. The focus is then on the three distinct approaches that have emerged for the activation of P450 enzymes. The first approach utilizes the in situ generation of reactive oxygen species entering the P450 mechanism via the peroxide shunt pathway. The other two approaches are sustained by electron injections into catalytically competent heme domains either facilitated by redox partners or through direct heme domain reduction. Achievements as well as pitfalls of each approach are briefly summarized. This article is part of a Special Issue entitled: Cytochrome P450 biodiversity and biotechnology, edited by Erika Plettner, Gianfranco Gilardi, Luet Wong, Vlada Urlacher, Jared Goldstone.

Engineering cytochrome P450 enzyme systems for biomedical and biotechnological applications

“…Readers are referred to details in the individual research and reviewed publications regarding enzymatic regeneration systems (153), reactive oxygen species (154), electrochemical reduction (155), and light-activated approaches (156,157). It is fairly important to find alternative economical electron sources for development of sustainable P450 catalytic systems to reduce the production costs.…”

Methods for determining of cytochrome P450 isozymes functional activity

“…1). Использование альтернативных источников электронов, таких как фотовосстановление [136][137][138][139][140][141], или электродных реакций [142] применимо для инициирования каталитического цикла цитохромов Р450.…”

“…Методы фотовосстановления разрабатываются в основном для использования синтетического потенциала цитохромов Р450. При фотовосстановлении для получения электронов ферри (Fe III ) формой гемопротеина необходимы фотосенсибилизаторы, такие как наночастицы CdS, 3,10-диметил-5деазафлавин, эозин Y, FAD, FMN, рибофлавин [141], а также доноры электронов, например, ЭДТА. При этом события могут развиваться по трём сценариям: 1) генерация активных форм кислорода in situ и протекание реакции по пероксигеназному пути, при этом необходима большая концентрация пероксида водорода, а это дестабилизирует гемопротеин, такой путь возможен только для ферментов, устойчивых к пероксиду водорода [143]; 2) восстановление гема через белки редокс-партнеры в присутствии фотосенсибилизаторов; основной проблемой является выбор соединения, не восстанавливающего кислород с последующим образованием АФК, но передающим электроны на флавиновые нуклеотиды, а затем на гем (таких как деазафлавин в присутствии ЭДТА); 3) фотогенерация активных восстановителей, например, производных Ru(II), для прямого восстановления гема [144].…”

“…(ВМ3), CYP152А1, CYP152А2) для получения гидроксилированных производных камфоры, миристиновой и лауриновой кислот. Использование энергии видимого света для катализа цитохромов Р450 является перспективным направлением исследований,но пока находится в состоянии развития ("is still in its infancy", цитируя одного из авторов этого направления) [141].…”

Bio‐based α,ω‐Functionalized Hydrocarbons from Multi‐step Reaction Sequences with Bio‐ and Metallo‐catalysts Based on the Fatty Acid Decarboxylase OleTJE

“…[12,13] To minimize heme destruction by excesso fH 2 O 2 , [13] the amount of H 2 O 2 present in the reactionm ixture needs to be carefully controlled. [14] For this purpose, we developed as ystem for the in situ formation of H 2 O 2 by photocatalytic reduction of O 2 (hn/FMN/H 2 O 2 system). [11] Different mutagenesis analyses revealed the specific residues in the active site of the enzymet hat are crucial for the activity of OleT as peroxygenase in the decarboxylation of fatty acids.…”