Semi-synthetic DNA shuffling of aveC leads to improved industrial scale production of doramectin by Streptomyces avermitilis

Stutzman-Engwall, Kim; Conlon, Steve; Fedechko, Ronald; McArthur, Hamish A. I.; Pekrun, Katja; Yan, Chunxiao; Jenné, Stéphane; La, Charlene; Trinh, Na; Kim, Seran; Zhang, Yingxin; Fox, Richard J.; Gustafsson, Claes; Krebber, Anke

doi:10.1016/j.ymben.2004.07.003

Cited by 72 publications

(34 citation statements)

References 23 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Unclassified

Order By: Relevance

“…Интересный пример -улучшение продукции дорамектина (Dectomax) (рис. 4) -антипаразитарного средства из семейства авермектинов [36]. Первоначальным продуцирующим штаммом был мутант Streptomyces avermitilis, с недостаточностью дегидрогеназы и О-метилтрансферазы.…”

Section: примечание переводчика * лантионин -редко встречающаяся в прunclassified

Drug discovery and natural products: end of era or an endless frontier?

2011

View full text Add to dashboard Cite

Drug discovery and natural products: end of era or an endless frontier? Перевод печатается с разрешения авторов и журнала Science)Исторически большинство новых лекарств разрабатывалось из природных продуктов (или их вторичных метаболитов) и из полученных из них соединений. В течение последних 15 лет исследования фармацевтической индустрии в области природных веществ заметно снизились, и одной из причин этого можно считать особое внимание к высоко производительному скринингу библиотек синтетических соединений. В настоящее время отмечается существенное снижение количества новых одобренных соответствующими инстанциями лекарств, а также потеря патентной защиты у ряда важных препаратов. Однако не иссякающие биологические источники, методы быстрого скрининга, процедуры роботизированного выделения со структурным анализом, метаболическое конструирование и синтетическая биология открывают перспективные технологические возможности для создания лекарств на основе новых природных соединений. Достижения в быстром генетическом секвенировании, в сочетании с комбинированным использованием биосинтетических путей, могут обеспечить обширный ресурс для создания новых фармакологических агентов в будущем.Ключевые слова: новые лекарства, природные соединения, библиотеки синтетических соединений, скрининг биологической активности, генетическое секвенирование, синтетическая биология.Около 200 лет назад 21-летний фармацевт Фридрих Сертюмер выделил первое биологически активное соединение из растения: морфин из опиума, вырабатываемого семенами мака, Papaver somniferum [1]. С этого момента началась эра получения из растений лекарств, которые после выделения и изучения свойств вводили в определённых дозах, не зависимых от источника или возраста материала. После Второй Мировой Войны, в связи с открытием пенициллина, фармацевтические исследования расширились, включив массивный скрининг микроорганизмов для поиска новых антибиотиков. К 1990 г. около 80% лекарств были или природными веществами, или их аналогами. Антибиотики (например, пенициллин, тетрациклин, эритромицин), антипаразитарные лекарства (авермектин), антималярийные (хинин, артемизинин), контролирующие уровень липидов агенты (ловастин и его аналоги), иммуно-супрессанты для трансплантации органов (например, циклоспорин, рапамицины), противораковые 148 * -адресат для переписки

show abstract

Section: примечание переводчика * лантионин -редко встречающаяся в прunclassified

Drug discovery and natural products: end of era or an endless frontier?

2011

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…Elimination of this unproductive enzymatic activity from S. tubercidicus R922 is an important goal in the further optimization of the biocatalyst, as other biocatalytic parameters of this strain make it the most desirable host for Ema CYP expression. The unforeseen and only partially understood influence of the surrogate screening hosts on the performance of this biocatalyst also emphasizes the need for using a relevant screening system as close to the final application as possible during molecular evolution programs (30,31) and reinforces the notion that in a complex whole-cell bioconversion, the entire system has to be analyzed and optimized.…”

Section: Vol 73 2007 Directed Evolution Of Ema Cyps 4323mentioning

confidence: 93%

Biocatalytic Conversion of Avermectin to 4″-Oxo-Avermectin: Improvement of Cytochrome P450 Monooxygenase Specificity by Directed Evolution

Trefzer

Jungmann

Molnár

et al. 2007

Appl Environ Microbiol

View full text Add to dashboard Cite

Discovery of the CYP107Z subfamily of cytochrome P450 oxidases (CYPs) led to an alternative biocatalytic synthesis of 4؆-oxo-avermectin, a key intermediate for the commercial production of the semisynthetic insecticide emamectin. However, under industrial process conditions, these wild-type CYPs showed lower yields due to side product formation. Molecular evolution employing GeneReassembly was used to improve the regiospecificity of these enzymes by a combination of random mutagenesis, protein structure-guided site-directed mutagenesis, and recombination of multiple natural and synthetic CYP107Z gene fragments. To assess the specificity of CYP mutants, a miniaturized, whole-cell biocatalytic reaction system that allowed high-throughput screening of large numbers of variants was developed. In an iterative process consisting of four successive rounds of GeneReassembly evolution, enzyme variants with significantly improved specificity for the production of 4؆-oxo-avermectin were identified; these variants could be employed for a more economical industrial biocatalytic process to manufacture emamectin.Emamectin benzoate is a potent semisynthetic insecticide used to control many agriculturally important pests. However, wider application of emamectin has been hindered by the high cost of its chemical synthesis, which involves regioselective oxidation of the 4Љ alcohol of the natural product avermectin, followed by the reductive amination of the resulting key intermediate 4Љ-oxo-avermectin (see Fig. 1). Achievement of high regioselectivity in the oxidation reaction requires the costly protection and deprotection of the very reactive allylic hydroxyl function at C-5 of the avermectin molecule.As an alternative to chemical synthesis, microbial conversion has been used successfully in other regioselective oxidation reactions to bypass complex protection and deprotection strategies. Many microbial oxidative bioconversion reactions are carried out by dehydrogenases (4) or oxidases (3, 11) while some use cytochrome P450 monooxygenases (CYPs) (12a, 12b, 15-17). The cytochrome P450 family is a large class of enzymes that catalyze hydroxylation, epoxidation, and demethylation reactions. Class II CYPs from eukaryotes accept electrons from NADPH via a NADPH-cytochrome P450 reductase, whereas class I CYPs in prokaryotes use distinct ferredoxins and ferredoxin reductases for electron transfer from NADH. Biotransformations using CYPs have to regenerate the cofactor, which can be achieved cost-effectively on an industrial scale by using metabolically active whole cells as biocatalysts. Examples of CYP-catalyzed biotransformations include the 11␤-hydroxylation of Reichstein S to hydrocortisone (2) and the microbial hydroxylation of zofimarin, a sordarin-related antibiotic (32).Recently, we have reported the isolation and characterization of 17 CYP enzymes, collectively named the Ema CYPs, capable of regioselectively oxidizing avermectin to 4Љ-oxo-avermectin (13,19,20). The Ema CYPs were isolated from closely related Streptomyces spec...

show abstract

“…In addition, evolved variants became insensitive to feedback inhibition. Other examples of laboratory evolution of key enzymes in engineered pathways include enzymes of polyhydroxyalkanoate biosynthesis [103][104][105] and of doramectin biosynthesis, an antibiotic produced commercially in Streptomyces avermitilis [106]. In the latter case, semisynthetic shuffling was used to optimize the activity of one key enzyme in the doramectin pathway to reduce the accumulation of undesired metabolic side products.…”

Section: A Metabolic Pathway Optimizationmentioning

confidence: 99%