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Directed Evolution of Artificial Metalloproteins and Metalloenzymes

English title Directed Evolution of Artificial Metalloproteins and Metalloenzymes
Applicant Ward Thomas R.
Number 182046
Funding scheme Project funding
Research institution Institut für Anorganische Chemie Universität Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Inorganic Chemistry
Start/End 01.10.2018 - 30.09.2022
Approved amount 706'479.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Inorganic Chemistry
Organic Chemistry

Keywords (5)

Biotin-streptavidin technology; Directed evolution; Late stage functionalization; Alcane hydroxylation; Artificial metalloenzymes

Lay Summary (French)

Lead
Les métalloprotéines artificielles combinent des propriétés attractives de biocatalyseurs ainsi que de catalyseurs chimiques. Nous proposons d'exploiter de tels systèmes hybrides dans la fabrication de sang artificiel ainsi que dans la synthèse de produits à haute valeur ajoutée.
Lay summary

Les métalloprotéines artificielles sont composées d' entités chimiques contenant un métal fortement liées à une protéine. L'hybride qui en résulte révèle des caractéristiques qui peuvent être optimisées en combinant des outils chimiques et génétiques. Dans ce projet, l'objectif est d'évaluer le potentiel de ces métalloprotéines artificielles dans deux domaines distincts : i) le sang artificiel ii) les métallo-enzymes artificielles pour l'oxidation de la fonction C-H.

Dans le contexte du sang artificiel, nous allons utiliser la protéine la plus abondante dans le sérum humain, "Human Serum Albumine", et la combiner à un cofacteur naturel transportant l'oxygène : l'hème.

En ajustant l'affinité de l'oxygène pour cette métalloprotéine, nous espérons qu'elle puisse servir comme substitut sanguin ayant des avantages multiples y compris: un faible coût, une facilité de production et de stockage et une absence d'incompatibilité avec les différents groupes sanguins.

Dans le domaine de la synthèse par voie chimique, la très répandue liaison C-H est perçue comme étant une fonction très peu réactive. En biologie par contre, il y existe des métalloenzymes naturelles capables de cibler sélectivement ces fonctions. Cet atout permet de diversifier les produits naturels ou d'oxyder sélectivement le méthane en méthanol.

Exploitant la nature même des catalyseurs hybrides préparés dans le groupe du Pr. Ward, nous proposons d'optimiser les performances des métalloenzymes pour l'oxydation sélectives de liaisons C-H en utilisant des oxydants bons marchés.

Ces métalloenzymes artificielles pourraient trouver de multiples applications dans le domaine pharmaceutique aussi bien que pour l'oxydation de méthane gazeux en méthanol.

Ce dernier est un excellent carburant qui pourrait permettre de vaincre la dépendance de la société vis à vis du pétrole.

Direct link to Lay Summary Last update: 24.01.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
162348 Broadening the Scope of Artificial Metalloenzymes Based on the Biotin-Streptavidin Technology 01.10.2015 Project funding

Abstract

Artificial metalloenzymes have emerged as a prolific field of research in the past decade. Such hybrid biosystems result from the incorporation of a metallocofactor within a protein scaffold to endow the macromolecule with novel catalytic properties. Thanks to the progress achieved in recombinant protein expression and evolution, artificial metalloproteins offer an attractive means to complement or substitute natural enzymes. Building on the group's expertize in the design and optimization of artificial metalloenzymes, this proposal sets out develop artificial monooxygenases based on the biotin-streptavidin technology.This work complements our work on C-H activation relying on Rh-based artificial metalloenzymes (Hyster et. al., Science 2012, 338, 500). The field of bioinorganic chemistry has developed a handful of nitrogen-based small coordination compounds containing earth-abundant metals that, in combination with hydrogen peroxide, have been used for the oxidation of hydrocarbons. Building on this, we will prepare a series of iron- and manganese complexes bearing biotinylated tetradentate aminopyridine ligands. Their activity will be screened in the presence of streptavidin. A chemo-genetic optimization strategy will be initially applied to improve the performance of the artificial monooxygenases. For this purpose, a series of model alkanes and alkyl ethers with increasing C-H bond dissociation energies will be screened using a 96-well plate format. Next, it is proposed to implement an E. coli surface display of streptavidin to significantly increase the throughput of the directed evolution effort. Here, we will rely on a fluorescence-activated droplet sorting high-throughput screen using coumarin methyl-ether as pro-fluorescent substrate. With the aim of exploiting artificial monooxygenases for the late-stage functionalization of complex molecules, we will subsequently evolve the regioselectivity of the most promising biohybrids. We anticipate that such systems may offer attractive alternatives to both natural enzymes and small molecule catalysts for the (late-stage) functionalization of inert C-H bonds.
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