KR102638205B1 - Bioconversion method for N-oxidizing isoquinoline alkaloids using CYP105D18 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CYP105D18을 이용하여 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물을 N-산화시키는 단계를 포함하는 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물의 생물전환 방법에 관한에 관한 것으로, 본 발명에 의한 상기 CYP105D18 효소를 이용한 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물의 N-산화 생물전환 방법은 상기 CYP105D18가 과산화수소(H2O2)에 대한 높은 내성과 독특한 기질 특이성을 가지기 때문에, 고효율로 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물을 N-산화시킬 수 있는 장점이 있다.The present invention relates to a method for bioconversion of isoquinoline alkaloid compounds comprising the step of N-oxidizing isoquinoline alkaloid compounds using CYP105D18, and relates to a method for bioconversion of isoquinoline alkaloid compounds using the CYP105D18 enzyme according to the present invention. The oxidative bioconversion method has the advantage of being able to N-oxidize isoquinoline alkaloid compounds with high efficiency because CYP105D18 has high tolerance to hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and unique substrate specificity.

Description

CYP105D18 효소를 이용한 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물의 N-산화 생물전환 방법{Bioconversion method for N-oxidizing isoquinoline alkaloids using CYP105D18}Bioconversion method for N-oxidizing isoquinoline alkaloids using CYP105D18}

본 발명은 CYP105D18 효소를 이용한 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물의 N-산화 생물전환 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CYP105D18을 이용하여 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물을 N-산화시키는 단계를 포함하는 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물의 생물전환 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for N-oxidation bioconversion of isoquinoline alkaloid compounds using CYP105D18 enzyme, and more specifically, to a method for bioconversion of isoquinoline alkaloid compounds comprising the step of N-oxidation of isoquinoline alkaloid compounds using CYP105D18. It's about method.

사이토크롬 P450(CYP) 효소는 다양한 종에 발현되는 헴 b-함유 효소를 포함한다. 이 효소는 히드록실화, 알코올 및 카르보닐 산화, 에폭시화, 탈메틸화, N-산화, 고리 절단, 커플링 및 스테로이드, 지방산, 생체이물 및 기타 약믈 등과 같은 수많은 내인성 및 외인성 화합물의 형성 등과 같은 다양한 반응을 촉매한다.Cytochrome P450 (CYP) enzymes include heme b-containing enzymes expressed in a variety of species. These enzymes perform various catalytic reactions such as hydroxylation, alcohol and carbonyl oxidation, epoxidation, demethylation, N-oxidation, ring cleavage, coupling and formation of numerous endogenous and exogenous compounds such as steroids, fatty acids, xenobiotics and other drugs. Catalyzes the reaction.

CYPs는 기질 유연성과 함께 레지오(regio) 및 입체 특이적 반응에 관여하며, 생명공학 적용에 적합한 표적이다. CYP 반응의 복잡한 메커니즘에는 특정 산화환원 파트너와 값비싼 보조인자가 포함된다. 따라서, 본질적으로 CYP의 광범위한 유용성을 제한한다.CYPs are involved in regio- and stereospecific reactions along with substrate flexibility and are suitable targets for biotechnology applications. The complex mechanisms of CYP reactions involve specific redox partners and costly cofactors. Therefore, it essentially limits the broad utility of CYP.

하지만, 일부 CYP 모노옥시게나아제 및 퍼옥시게나아제는 과산화수소(H2O2) 및 다양한 기질의 효율적인 촉매 작용을 위한 큐멘 하이드로퍼산화물 또는 요오도실벤젠과 같은 유기 대체물과 같은 산소 대리 시스템(oxygen surrogate system)을 사용하는 션트 경로(shunt pathway)를 지원한다.However, some CYP monooxygenases and peroxygenases utilize oxygen surrogate systems such as hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and organic surrogates such as cumene hydroperoxide or iodosylbenzene for efficient catalysis of various substrates. ) supports a shunt pathway using ).

효소를 이용한 생물전환 방법에 관한 종래기술로는 홍삼박에서 효소 및 유산균 발효를 통한 진세노사이드의 생물전환방법(공개특허공보 제10-2021-0087536호) 등이 개시되어 있으나, 효소를 이용하여 스테로이드의 27번 탄소를 히드록시화시키는 단계를 포함하는 스테로이드의 생물전환 방법에 대해서는 알려져 있지 않은 실정이다.As a prior art regarding a bioconversion method using enzymes, a method for bioconversion of ginsenosides through enzyme and lactic acid bacteria fermentation in red ginseng peel (Public Patent Publication No. 10-2021-0087536) is disclosed, but using enzymes There is no known method for bioconversion of steroids that includes the step of hydroxylating carbon 27 of the steroid.

대한민국 공개특허공보 제10-2021-0087536호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2021-0087536

본 발명자들은 생화학 및 CYP105 계열의 단백질에 대한 구조적 정보를 결정하는 연구를 수행하여, CYP105D18을 이용하여 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물을 N-산화시킬 수 있음을 알아내고, 본 발명을 완성하였다.The present inventors conducted research to determine biochemical and structural information on CYP105 family proteins, found that isoquinoline alkaloid compounds can be N-oxidized using CYP105D18, and completed the present invention.

따라서, 본 발명의 목적은 CYP105D18 효소를 이용한 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물의 N-산화 생물전환 방법을 제공하는 것이다.Therefore, the purpose of the present invention is to provide a method for N-oxidation bioconversion of isoquinoline alkaloid compounds using CYP105D18 enzyme.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 CYP105D18을 이용하여 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물을 N-산화시키는 단계를 포함하는 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물의 생물전환 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for bioconversion of isoquinoline alkaloid compounds, including the step of N-oxidizing isoquinoline alkaloid compounds using CYP105D18.

본 발명의 일 구현예로, 상기 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물은 파파베린, 코데인 및 베르베린으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the isoquinoline alkaloid compound may be any one selected from the group consisting of papaverine, codeine, and berberine.

본 발명의 일 구현예로, 상기 CYP105D18은 스트렙토마이세스(Streptomyces) 유래의 시토크롬 P450일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the CYP105D18 may be cytochrome P450 derived from Streptomyces .

본 발명의 일 구현예로, 상기 CYP105D18은 스트렙토마이세스 로렌티이(Streptomyces laurentii) 유래의 시토크롬 P450일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the CYP105D18 may be cytochrome P450 derived from Streptomyces laurentii .

본 발명의 일 구현예로, 상기 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물은 파파베린이고, 상기 파파베린에 대한 상기 CYP105D18의 Km 값은 212~215 μM이고, Kcat 값은 4~6 min-1일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the isoquinoline alkaloid compound is papaverine, the K m value of CYP105D18 for papaverine may be 212 to 215 μM, and the K cat value may be 4 to 6 min -1 .

본 발명의 일 구현예로, 상기 CYP105D18은 과산화수소(H2O2)에 대하여 내성을 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, CYP105D18 may be resistant to hydrogen peroxide (H 2 O 2 ).

본 발명의 일 구현예로, 상기 CYP105D18의 헴 산화 속도(k)는 200mM의 고농도의 과산화수소(H2O2)의 존재 하에서도 0.3 min-1 미만으로 낮을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heme oxidation rate (k) of CYP105D18 may be as low as less than 0.3 min -1 even in the presence of a high concentration of 200mM hydrogen peroxide (H 2 O 2 ).

본 발명의 일 구현예로, 상기 CYP105D18은 구부러질 수 있는 구조를 가지며, 상기의 구조로 인해 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물에 대한 기질 선호도가 높을 수 있다.In one embodiment of the present invention, CYP105D18 has a bendable structure, and may have a high substrate preference for isoquinoline alkaloid compounds due to the structure.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 생물전환 방법에 의해 얻어진 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물을 제공한다.Additionally, in order to achieve the above object, the present invention provides an isoquinoline alkaloid compound obtained by the above bioconversion method.

본 발명의 일 구현예로, 상기 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물은 파파베린, 코데인 및 베르베린으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the isoquinoline alkaloid compound may be any one selected from the group consisting of papaverine, codeine, and berberine.

본 발명에 의한 상기 CYP105D18 효소를 이용한 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물의 N-산화 생물전환 방법은 상기 CYP105D18가 과산화수소(H2O2)에 대한 높은 내성과 독특한 기질 특이성을 가지기 때문에, 고효율로 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물을 N-산화시킬 수 있는 장점이 있다.The N-oxidation bioconversion method of isoquinoline alkaloid compounds using the CYP105D18 enzyme according to the present invention produces isoquinoline alkaloid compounds with high efficiency because CYP105D18 has high tolerance to hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and unique substrate specificity. There is an advantage in that it can be N-oxidized.

또한, 본 발명에 의한 상기 CYP105D18 효소를 이용한 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물의 N-산화 생물전환 방법은 약학 분야에서 기존의 스테로이드를 대체할 수 있는 약물 개발 방법으로 유용하게 사용될 수 있다.In addition, the N-oxidation bioconversion method of isoquinoline alkaloid compounds using the CYP105D18 enzyme according to the present invention can be usefully used as a drug development method that can replace existing steroids in the pharmaceutical field.

도 1a 및 도 1b는 파파베린(도 1a) 및 테트라하이드로팔마틴(도 1b)에 대한 HPLC 크로마토그램 및 LC-MS 스펙트럼(상자 내부)을 나타낸 것으로서, 반응(위)은 1시간 동안 40mM H2O2의 존재하에 400μM의 기질 및 3μM의 CYP105D18으로 수행되었고, 유사한 반응 조건이 대조군(아래)에 사용되었고, 3μM의 열 비활성화 CYP105D18(양성 대조군) 및 CYP105D18(음성 대조군)이 사용되었으며, 양성 및 음성 대조군은 어떠한 생성물의 형성 없이 유사한 HPLC 크로마토그램을 나타내었다.
도 2는 다양한 농도((a) 1mM, (b) 5mM, (c) 10mM, (d) 20mM, (e) 40mM, (f) 100mM 및 (g) 200mM)의 H2O2가 존재할 때 CYP105D18의 헴 산화 패턴을 나타낸 것으로서, 이 때 CYP의 농도는 3mM으로 고정되었고, Soret 피크(417 nm)의 감소는 30분 동안 90초 간격으로 측정되었으며, CYP105D18(h)에 의한 시험관 내 파파베린 N-산화를 위한 H2O2 농도 최적화 반응 조건은 3μM의 CYP, 400μM의 기질 및 5-800mM의 H2O2이고, 평균과 표준 편차는 유사한 조건의 세 가지 독립적인 반응에서 얻은 것이다.
도 3의 (a)는 파파베린의 파파베린 N-산화물로의 시간-의존적 전환을 나타낸 것으로서, 전환은 1μM의 CYP를 사용하여 1시간 동안 5분마다 측정되었고, 반응은 40mM H2O2에 의해 시작된다.
도 3의 (b)는 파파베린 N-산화물에 대한 쌍곡선 핏트(fit), 도 3의 (c)는 테트라하이드로팔마틴(THP)에 대한 쌍곡선 핏트(fit)를 나타낸 것으로서, 평균 Km 및 kcat 값은 유사한 조건에서 수행된 세 가지 독립적인 실험의 표준 편차로 계산되었다.
도 4의 (a)는 CYP105D18 구조의 리본 다이어그램을 나타낸 것으로서, 파란색에서 빨간색으로 무지개 색상은 모델에서 잔류물의 N-말단에서 C-말단 위치를 나타내고, 오른쪽 패널은 왼쪽 패널에 대해 90도 회전되어 오른쪽 패널의 인쇄물 바인딩 깔때기 측면이 왼쪽 패널의 리더(reader)를 향하도록 한다. 활성 부위의 영역은 주황색 막대기로 표시되고 B/C 루프 및 F-G 회전에서 보존된 잔기들이 빨간색 원으로 표시된다.
도 4의 (b)는 다른 상동 CYP인 S. laurentii 유래의 CYP105D18, Streptomyces sp. 유래의 CYP105D7 및 CYP105D6/PteD, S. avermitilis 유래의 CYP105D6, S. coelicolor 유래의 CYP105N1, S. griseolus 유래의 CYP105A1, Nonomuraea recticatena 유래의 CYP105AB3, S. graminofaciens 유래의 GfsF, Amycolatopsis orientalis 유래의 CYP105AS1 및 S. avermitilis 유래의 CYP105P1과의 다중 서열 정렬을 나타낸 것으로서, 2차 구조 요소는 정렬된 시퀀스 위에 표시되고, 색상이 지정된다.
도 5는 H2O2에 둔감한 토끼 P450 4B1과 CYP105D18의 중첩을 나타낸 것으로서, P450 4B1의 Cys448, Phe441 및 Gln451에 해당하는 잔기가 막대기를 사용하여 표시되고, CYP105D18에 대한 헴 및 물 분자에 대한 2Fo-Fc 전자 밀도 맵은 회색 메쉬로 표시되며(2.0σ 수준에서 윤곽이 지정됨), P450 4B1의 옥탄 분자는 보라색 막대기로 표시된다.
도 6은 기질이 없는(substrate-free) 구조와 CYP105D18을 사용한 파파베린 복합체의 구조 비교로서, 도 6의 (a)는 기질이 없는 CYP105D18과 파파베린-결합 CYP105D18을 각각 파란색과 주황색으로 표시한 것이고, CYP105D18의 BC 루프와 F-G의 회전은 리본 다이어그램으로 표시되었다.
도 6의 (b)는 αB’의 확대도 및 활성 부위의 힌지 영역을 나타낸 것이고, (c)는 헴 및 파파베린 결합 부위의 확대도를 나타낸 것으로서, 파파베린과 상호작용 잔기들은 스틱 모델로 표시되었고, 노란색 막대기 모델은 파파베린을 나타내며, 결합된 헴 분자는 스틱 모델로도 표시되었다.
도 7은 CYP105D18의 기질 결합 부위에서 파파베린의 굽힘 운동을 나타낸 것으로서, 도 7의 (a)는 CYP105D18과 파파베린의 상세한 결합 방식을 나타낸 것이고, 파파베린은 활성 부위의 하단에 있으며, 물 분자(녹색)의 구는 디메토디이소퀴놀린 질소와 헴 그룹의 철 사이에 존재하고, 파파베린과 헴은 각각 노란색과 자홍색을 띠고 있다.
도 7의 (b)는 (a)의 바인딩 포켓 확대도로서, CYP105D18의 단면 이미지는 PyMol(Schrodinger)을 사용하여 생성되었다.
도 8은 구부릴 수 있는 기질과 구부릴 수 없는 기질의 비교로서, CYP105D18과 함께 공동 결정화된 파파베린 및 헴 분자는 노란색과 오렌지색 스틱으로 표시되고, 도킹 계산 후 각 잠재적인 기질은 서로 다른 색상 코드를 가진 스틱으로 표시되었고, CYP105D18의 헴과 질소와 상호작용하는 물 분자 사이의 거리가 각 도면에 표시되어 있으며, 상기 도킹 실험은 Autodock Vina의 Lamarckian 유전 알고리즘(LGA) 방법(Trott & Olson, 2010)으로 수행하였다.
Figures 1a and 1b show HPLC chromatograms and LC-MS spectra (inside box) for papaverine (Figure 1a) and tetrahydropalmatine (Figure 1b), where the reaction (top) was incubated in 40mM H 2 for 1 hour. Performed with 400 μM of substrate and 3 μM of CYP105D18 in the presence of O 2 , similar reaction conditions were used for controls (below), 3 μM of heat-inactivated CYP105D18 (positive control) and CYP105D18 (negative control) were used, positive and negative The control showed a similar HPLC chromatogram without the formation of any product.
Figure 2 shows CYP105D18 in the presence of H 2 O 2 at various concentrations ((a) 1mM, (b) 5mM, (c) 10mM, (d) 20mM, (e) 40mM, (f) 100mM and (g) 200mM). This shows the heme oxidation pattern, where the concentration of CYP was fixed at 3mM, the decrease in Soret peak (417 nm) was measured at 90-second intervals for 30 minutes, and papaverine N- in vitro by CYP105D18(h) Optimized reaction conditions for H 2 O 2 concentration for oxidation are 3 μM CYP, 400 μM substrate, and 5-800 mM H 2 O 2 ; Means and standard deviations are from three independent reactions under similar conditions.
Figure 3(a) shows the time-dependent conversion of papaverine to papaverine N-oxide. The conversion was measured every 5 minutes for 1 hour using 1 μM CYP, and the reaction was carried out in 40mM H 2 O 2 It starts by.
Figure 3 (b) shows a hyperbolic fit for papaverine N-oxide, and Figure 3 (c) shows a hyperbolic fit for tetrahydropalmatine (THP), with average K m and k cat values were calculated as the standard deviation of three independent experiments performed under similar conditions.
Figure 4(a) shows a ribbon diagram of the CYP105D18 structure, where rainbow colors from blue to red indicate the N-terminal to C-terminal positions of residues in the model, and the right panel is rotated 90 degrees with respect to the left panel to the right. Orient the panel's substrate binding funnel side toward the reader on the left panel. The region of the active site is indicated by orange sticks and conserved residues in the B/C loop and FG turn are indicated by red circles.
Figure 4 (b) shows another homologous CYP, CYP105D18 from S. laurentii , Streptomyces sp. CYP105D7 and CYP105D6/PteD from S. avermitilis , CYP105D6 from S. coelicolor , CYP105A1 from S. griseolus , CYP105AB3 from Nonomuraea recticatena , GfsF from S. graminofaciens , CYP105AS1 from Amycolatopsis orientalis and S. Multiple sequence alignment with CYP105P1 from avermitilis is shown, with secondary structural elements indicated and colored above the aligned sequence.
Figure 5 shows the superposition of the H 2 O 2 insensitive rabbit P450 4B1 and CYP105D18, where the residues corresponding to Cys448, Phe441 and Gln451 of P450 4B1 are indicated using sticks, and the heme and water molecules for CYP105D18 are shown. The 2Fo-Fc electron density map is shown as a gray mesh (outlined at the 2.0σ level), and the octane molecule of P450 4B1 is shown as a purple stick.
Figure 6 is a comparison of the structures of the substrate-free structure and the papaverine complex using CYP105D18. Figure 6 (a) shows substrate-free CYP105D18 and papaverine-bound CYP105D18 in blue and orange, respectively. , the turns of the BC loop and FG of CYP105D18 were shown in a ribbon diagram.
Figure 6 (b) shows an enlarged view of αB' and the hinge region of the active site, and (c) shows an enlarged view of the heme and papaverine binding site, with papaverine and interacting residues shown as stick models. The yellow stick model represents papaverine, and the bound heme molecule is also shown as a stick model.
Figure 7 shows the bending movement of papaverine at the substrate binding site of CYP105D18. Figure 7 (a) shows the detailed binding mode of CYP105D18 and papaverine, and papaverine is located at the bottom of the active site, and water molecules ( The sphere (green) exists between the dimethodiisoquinoline nitrogen and the iron of the heme group, and papaverine and heme are yellow and magenta, respectively.
Figure 7 (b) is an enlarged view of the binding pocket in (a), and the cross-sectional image of CYP105D18 was created using PyMol (Schrodinger).
Figure 8 is a comparison of bendable and non-bendable substrates, where papaverine and heme molecules co-crystallized with CYP105D18 are shown as yellow and orange sticks, and after docking calculations, each potential substrate is represented by a different color code. Indicated by sticks, the distance between the heme of CYP105D18 and the water molecule interacting with the nitrogen is indicated in each figure, the docking experiments were performed with the Lamarckian genetic algorithm (LGA) method in Autodock Vina (Trott & Olson, 2010). did.

본 발명에서, "생물전환 방법"이라 함은 미생물 발효 및 효소 처리 등의 생명공학 기술을 통해 새로운 생성물을 생성하거나 기존의 화학 합성공정에 의해 합성 및 생산되고 있는 기존 화학물질을 대체하여 생산할 수 있는 기술을 의미하며, 생물전환(bioconversion, biotransformation), 생합성(biosynthesis), 생촉매(bio-catalysis) 등으로 불리기도 한다.In the present invention, “bioconversion method” refers to a method that can produce a new product through biotechnology technologies such as microbial fermentation and enzyme treatment or replace existing chemicals synthesized and produced by existing chemical synthesis processes. It refers to technology and is also called bioconversion, biotransformation, biosynthesis, bio-catalysis, etc.

본 발명의 제1 구현예는 CYP105D18을 이용하여 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물을 N-산화시키는 단계를 포함하는 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물의 생물전환 방법에 관한 것이다.A first embodiment of the present invention relates to a method for bioconversion of an isoquinoline alkaloid compound comprising the step of N-oxidizing the isoquinoline alkaloid compound using CYP105D18.

상기 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물은 파파베린, 코데인 및 베르베린으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The isoquinoline alkaloid compound may be any one selected from the group consisting of papaverine, codeine, and berberine, but is not limited thereto.

상기 파파베린(papaverine)은 아편에 함유된 이소퀴놀린 알칼로이드(isoquinoline alkaloid)로서, 평활근 이완을 유발하기 때문에, 혈관 경련치료에 사용되었다. 또한 상기 파파베인은 일부 환자에 있어서 신장 산통, 편두통, 정신분열병, 암, 심지어 바이러스 감염 치료에 비스테로이드성 소염진통제의 대안으로 투여되었는데, 의학적 중요성에도 불구하고 파파베린의 이 화합물에는 많은 부작용이 있다.The papaverine is an isoquinoline alkaloid contained in opium, and because it causes smooth muscle relaxation, it has been used to treat vasospasm. Papaveine has also been administered as an alternative to NSAIDs in the treatment of renal colic, migraine, schizophrenia, cancer, and even viral infections in some patients. Despite its medical importance, this compound of papaverine has many side effects. .

그러나, 본 발명의 상기 생물전환 방법에 의해 변형된 파파베린은 더 나은 효능과 세포 독성이 감소하고 신체로 쉽게 대사될 수 있는 장점이 있다.However, papaverine modified by the bioconversion method of the present invention has the advantages of better efficacy, reduced cytotoxicity, and can be easily metabolized by the body.

상기 코데인(codeine)은 통증을 완화시키고 기침을 억제하는 약물로서, 말초에서 중추로 통증이 전달되는 것을 차단하여 통증을 감소시키며, 뇌의 기침 중추를 억제하여 기침 발생을 감소시키는데, 중독, 오용 또는 남용의 우려가 있으므로 의료전문가의 정기적인 관리, 감독 하에 사용되어야 하며 마약으로 지정되어 있다.The codeine is a drug that relieves pain and suppresses coughing. It reduces pain by blocking the transmission of pain from the periphery to the central region, and reduces the occurrence of coughing by suppressing the coughing center in the brain. It is used for addiction, misuse, or Because there is a risk of abuse, it must be used under the regular management and supervision of a medical professional and is designated as a narcotic.

상기 베르베린(berberine)은 매자나무, 황련 등의 껍질, 뿌리, 줄기에서 함유되어 있는 천연 식물성 알칼로이드로서, 천연 항생제이면서 항산화제로 알려져 있다.The berberine is a natural plant alkaloid contained in the bark, roots, and stems of barberry and yellow lotus, and is known as a natural antibiotic and antioxidant.

상기 CYP105D18은 스트렙토마이세스(Streptomyces) 유래, 바람직하게는 스트렙토마이세스 로렌티이(Streptomyces laurentii) 유래의 시토크롬 P450일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The CYP105D18 may be a cytochrome P450 derived from Streptomyces , preferably from Streptomyces laurentii , but is not limited thereto.

상기 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물은 파파베린일 수 있고, 상기 파파베린에 대한 상기 CYP105D18의 Km 값은 212~215 μM, 바람직하게는 213~214 μM, 보다 바람직하게는 213±26 μM일 수 있고, Kcat 값은 4~6 min-1, 바람직하게는 4.5~5.5 min-1, 보다 바람직하게는 5±0.3 min-1 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The isoquinoline alkaloid compound may be papaverine, and the K m value of CYP105D18 for papaverine may be 212-215 μM, preferably 213-214 μM, more preferably 213 ± 26 μM, K The cat value may be 4 to 6 min -1 , preferably 4.5 to 5.5 min -1 , and more preferably 5 ± 0.3 min -1 , but is not limited thereto.

상기 CYP105D18은 과산화수소(H2O2)에 대하여 내성을 가질 수 있고, 보다 구체적으로는 상기 CYP105D18의 헴 산화 속도(k)는 200mM의 고농도의 과산화수소(H2O2)의 존재 하에서도 0.3 min-1 미만으로 낮을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The CYP105D18 may be resistant to hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), and more specifically, the heme oxidation rate (k) of the CYP105D18 is 0.3 min even in the presence of a high concentration of 200mM hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) . It may be as low as less than 1 , but is not limited to this.

상기 CYP105D18은 구부러질 수 있는 구조를 가지며, 상기의 구조로 인해 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물에 대한 기질 선호도가 높을 수 있다.The CYP105D18 has a bendable structure, and due to the above structure, it may have a high substrate preference for isoquinoline alkaloid compounds.

또한, 본 발명은 제2 구현예로 상기 생물전환 방법에 의해 얻어진 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물을 제공한다.In addition, the present invention provides, as a second embodiment, an isoquinoline alkaloid compound obtained by the above bioconversion method.

상기 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물은 파파베린, 코데인 및 베르베린으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The isoquinoline alkaloid compound may be any one selected from the group consisting of papaverine, codeine, and berberine, but is not limited thereto.

상기 파파베린, 코데인 및 베르베린에 대해서는 상기 제1 구현예에서 설명한 바와 같으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.Since papaverine, codeine, and berberine are the same as described in the first embodiment, detailed description thereof will be omitted.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples are for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예 1> CYP105D18의 기능적 특성화<Example 1> Functional characterization of CYP105D18

CYP105D18과 Pdx/PdR 또는 Fdx/RdR의 상호작용을 통한 시험관 내 생체변화는 확인되지 않았으나, 산소대응물인 H2O2를 이용한 시험관 내 생체변화는 papaverine의 N-oxidation 및 THP의 hydroxylation을 지원하였다(도 1a).Although in vitro biotransformation was not confirmed through the interaction of CYP105D18 with Pdx/PdR or Fdx/RdR, in vitro biotransformation using H 2 O 2 , an oxygen counterpart, supported N-oxidation of papaverine and hydroxylation of THP ( Figure 1a).

본 발명자들은 H2O2에 대한 내성을 나타내는 첫번째 CYP105 하위 계열 효소를 보고하며, 이는 HPLC, LC-MS에서 분석하였으며, Papaverine N-산화물은 핵자기 공명분석을 이용하여 특성화되었다. 하지만, THP는 최적 조건에서의 전환율이 12% 미만으로 구조분석을 실시하지 않았다.We report the first CYP105 subfamily enzyme showing tolerance to H 2 O 2 , which was analyzed by HPLC and LC-MS, and Papaverine N-oxide was characterized using nuclear magnetic resonance analysis. However, THP did not conduct structural analysis because the conversion rate under optimal conditions was less than 12%.

CYP105D18에 의한 파파베린(papaverine) 체외 생체내 변형을 지원하기 위해 기질 결합 실험을 수행하였다. 4개의 기질 중에서 파파베린 만이 422nm에서 스펙트럼 이동이 유도되었다(도 1b). 이는 박테리아 CYP에 의한 화합물 N-oxidation에 대한 첫번째 보고이며, 기존 실험에 비해 CYP105D18이 화학량론적 양의 H2O2가 있을 때, 파파베린을 파파베린 N-산화물로 효율적으로 전환시켜 화학적 방법에 대한 중요한 통찰력을 제공한다는 점을 보여주었다.Substrate binding experiments were performed to support the in vitro and in vivo transformation of papaverine by CYP105D18. Among the four substrates, only papaverine induced a spectral shift at 422 nm (Figure 1b). This is the first report on compound N-oxidation by bacterial CYP, and compared to existing experiments, CYP105D18 efficiently converts papaverine to papaverine N-oxide in the presence of a stoichiometric amount of H 2 O 2 , demonstrating the use of chemical methods. It has been shown to provide important insights.

<실시예 2><Example 2> CYP105D18의 HH of CYP105D18 22 OO 22 안정성 및 최적화Stability and Optimization

H2O2만이 파파베린의 CYP105D18 의존성 N-산화를 지원하였다. 따라서, H2O2 농도에 따른 헴(heme) 산화적 분해를 분석하였다. 속도 상수 k는 높은 농도의 H2O2가 존재하는 경우에도 낮았으며, 이는 H2O2에 대한 CYP105D18의 높은 내성 용량을 시사한다(도 2).Only H 2 O 2 supported CYP105D18-dependent N-oxidation of papaverine. Therefore, H 2 O 2 Oxidative degradation of heme was analyzed depending on concentration. The rate constant k was low even in the presence of high concentrations of H 2 O 2 , suggesting a high tolerance capacity of CYP105D18 to H 2 O 2 (Figure 2).

CYP105D18에 의한 파파베린 N-산화물의 시간 의존적 시험관 내 전환은 도 3의 (a)에 나타나 있다. 파파베린에 대한 Km및 Kcat값은 각각 213±26μM 및 5±0.3 min-1으로 추정되며, 테트라히드로팔마틴(THP)에 대해서는 75±15μM 및 0.13±0.01 min-1를 보여, 파파베린에 대한 촉매 효율이 더 높은 것을 확인하였다.The time-dependent in vitro conversion of papaverine N-oxide by CYP105D18 is shown in Figure 3(a). The K m and K cat values for papaverine are estimated to be 213±26μM and 5±0.3 min -1 , respectively, and for tetrahydropalmatine (THP), they are 75±15μM and 0.13±0.01 min -1 , respectively. It was confirmed that the catalyst efficiency was higher.

파파베린 N-산화에 대한 CYP105D18의 촉메 효율은 1.43 sec-1μM-1 으로서, THP의 촉매 효율인 0.11 sec-1μM-1 보다 훨씬 높았다(도 3).The catalytic efficiency of CYP105D18 for papaverine N-oxidation was 1.43 sec -1 μM -1 , which was much higher than the catalytic efficiency of THP, which was 0.11 sec -1 μM -1 (Figure 3).

CYP105D18의 헴 산화 속도 (k)는 고농도(200mM)의 H2O2의 존재 하에서도 낮았다 (<0.3 min-1). CYP105D18의 높은 H2O2 내성 용량은 헴 산화 이전에 더 높은 회전율을 가져 왔다.The heme oxidation rate (k) of CYP105D18 was low (<0.3 min -1 ) even in the presence of high concentration (200mM) of H 2 O 2 . The high H2O2 tolerance capacity of CYP105D18 resulted in a higher turnover rate prior to heme oxidation.

<실시예 3> CYP105D18의 기질이 없는 구조<Example 3> Substrate-free structure of CYP105D18

활성 부위와 관련된 자세한 구조 정보를 얻기 위해, CYP105D18의 구조 조사를 수행하였다. 최종 모델은 N-말단, αB와 αC를 연결하는 잔기를 포함하는 루프를 제외하고는 대부분의 분자에 대한 전자 밀도를 얻었으며, 비대칭 단위는 CYP105D18 분자를 가지며, 이는 크기 배제 크로마토그래피 분석에서도 단량체로 존재함을 보여주었다(도 4의 (a)). 이는 단백질 데이터 은행에 PDB entry 7DI3로 기탁되었다.To obtain detailed structural information related to the active site, a structural investigation of CYP105D18 was performed. The final model obtained electron densities for most of the molecule except for the N-terminus, the loop containing the residues connecting αB and αC, and the asymmetric unit has the CYP105D18 molecule, which also appears as a monomer in size exclusion chromatography analysis. It was shown that it exists (Figure 4(a)). It was deposited in the Protein Data Bank as PDB entry 7DI3.

CYP105 계열의 구조에서 관찰할 수 있듯이, β-sheet와 αC-αJ 나선 등의 2가지 단위로 나눌 수 있으며, β-sheet와 나선이 풍부한 단위 사이의 중앙에 위치한 깊고 오목한 깔때기 모양의 활성부위를 형성한다. 이 활성부위는 B/C 루프(잔기 173-187), αF와 αG 사이의 회전 영역, C-말단 루프 (잔기 336-396)로 구성된다.As can be observed in the structure of the CYP105 family, it can be divided into two units, the β-sheet and the αC-αJ helix, and forms a deep, concave funnel-shaped active site located in the center between the β-sheet and the helix-rich unit. do. This active site consists of a B/C loop (residues 173-187), a turn region between αF and αG, and a C-terminal loop (residues 336-396).

CYP105 계열과 높은 구조적 상동성을 공유하지만, 3가지 영역의 잔기는 거의 보존되지 않다(도 4의 (b)). 이는 이 부분이 CYP 계열에 대한 기질 선택성에 필수적임을 시사하며, CYP105D7의 이전연구에서 B/C 루프의 아르기닌 잔기(Arg70, Arg88, Arg190)와 기질 결합 포켓의 αG가 CYP105 패밀리에 보존되어 있어 기질 인식에 중요한 잔기가 될 수 있음을 보여주었다.Although it shares high structural homology with the CYP105 family, residues in the three regions are hardly conserved (Figure 4(b)). This suggests that this part is essential for substrate selectivity for the CYP family, and in previous studies of CYP105D7, arginine residues (Arg70, Arg88, Arg190) in the B/C loop and αG in the substrate binding pocket are conserved in the CYP105 family, indicating substrate recognition. It was shown that it can be an important residue in .

CYP105D18에는 CYP105D7의 Arg70, Arg190에 해당하는 Ser63, Phe184가 포함되어 있어, CYP 활성부위에서 기질 잔류 인식이 더 복잡하고 다양함을 시사한다.CYP105D18 contains Ser63 and Phe184, which correspond to Arg70 and Arg190 of CYP105D7, suggesting that substrate residue recognition in the CYP active site is more complex and diverse.

<실시예 4> CYP105D18의 H<Example 4> H of CYP105D18 22 OO 22 안정성을 위한 구조적 특징Structural features for stability

토끼 P450 4B1을 기반으로 한 분자역학 시뮬레이션은 P450 4B1의 Gln451이 P450 thiol 민감도에 필수적인 잔기임을 시사하였다. 이는 heme thiolate와 sulfenic acid 의존성 개방향 및 폐쇄형 구조를 보였다.Molecular dynamics simulations based on rabbit P450 4B1 suggested that Gln451 of P450 4B1 is an essential residue for P450 thiol sensitivity. It showed heme thiolate and sulfenic acid dependent open and closed structures.

이와 더불어 CYP105D18은 P450 4B1과 높은 시퀀스 및 구조적 유사성을 보여주며, P450 4B1의 Phe441 및 Gln451에 해당하는 Phe338 및 Gln348이 있으며 닫힌 형태를 나타내었다. 이는 CYP105D18의 헴 영역에 대한 P450 4B1 접근 영역과 유사한 메커니즘은 산화시 구조적 변화를 포함할 수 있으며, 이 닫힌 구조는 CYP105D18의 H2O2저항성을 초래하는 것으로 판단된다(도 5).In addition, CYP105D18 shows high sequence and structural similarity to P450 4B1, has Phe338 and Gln348 corresponding to Phe441 and Gln451 of P450 4B1, and is in a closed form. This suggests that a similar mechanism to the P450 4B1 access region to the heme region of CYP105D18 may involve structural changes upon oxidation, and that this closed structure results in the H 2 O 2 resistance of CYP105D18 (Figure 5).

<실시예 5> CYP105D18의 기질이 없는 구조와 파파베린 복합 구조 간의 기질 결합 포켓의 비교<Example 5> Comparison of substrate binding pockets between the substrate-free structure of CYP105D18 and the papaverine complex structure

CYP105D18의 기질이 없는 구조 외에도, 파파베린 N-산화를 지원하고, 기질 결합 모드와 결합시 발생하는 구조적 변화를 이해하기 위하여, 파파베린 복합구조(PDB entry 7LDS)를 결정하였다. 기질 유무에 따른 형태의 구조적 비교는 구조적 변화가 주로 B/C 루프 영역에서 발생하는 것으로 나타났다.In addition to the substrate-free structure of CYP105D18, the papaverine complex structure (PDB entry 7LDS) was determined to support papaverine N-oxidation and to understand the substrate binding mode and structural changes that occur upon binding. Structural comparison of the conformations with and without substrates showed that structural changes mainly occurred in the B/C loop region.

B/C 루프에는 유연하고 덜 구조적인 루프가 관찰되었고, 잔기 73-84에 대한 전자밀도는 기판이 없는 구조로 관찰할 수 없었으며, 이는 이 영역이 높은 유연성을 가진 것으로 판단된다.A flexible and less structured loop was observed in the B/C loop, and the electron density for residues 73-84 could not be observed in a substrate-free structure, indicating that this region has high flexibility.

종합적으로, 이는 B/C 루프가 유연하고 기질 없이 열린 확인 상태로 남아 있음을 보여주며, 이 영역이 기질 결합 및 특이성을 담당하는 것으로 판단된다(도 6의 (a)).Overall, this shows that the B/C loop is flexible and remains open and identified without substrate, and this region is believed to be responsible for substrate binding and specificity (Figure 6(a)).

파파베린은 CYP105D18의 내부 소수성 공동에 묻혀있으며, Ala85, Leu87, Val231, Ala282, Val234 및 Ile386 잔기로 둘려싸여 있고, 친수성 잔기가 없는 것으로 관찰되었다.Papaverine was observed to be buried in the internal hydrophobic cavity of CYP105D18, surrounded by residues Ala85, Leu87, Val231, Ala282, Val234 and Ile386, and devoid of hydrophilic residues.

디메톡시이소퀴놀린(dimethoxyisoquinoline)과 디메톡시-페닐(dimethoxy-phenyl) 그룹이 단일 탄소 결합으로 약 90도 구부러져있으며, 이는 다른 이소퀴놀린 알칼로이드가 구부러질 수 없는 2개의 단일 탄소 결합을 사용하여 연결되어 있기 때문에, 테스트된 기질의 전반적인 생화학적 특성이 유사했지만, CYP105D18이 파파베린을 선택적으로 변형했음을 보여주는 생화학적 데이터를 강력하게 뒷받침한다(도 6의 (b)).The dimethoxyisoquinoline and dimethoxy-phenyl groups are bent about 90 degrees by a single carbon bond, which is linked using two single carbon bonds that other isoquinoline alkaloids cannot bend. Therefore, although the overall biochemical properties of the tested substrates were similar, the biochemical data strongly support that CYP105D18 selectively modified papaverine (Figure 6(b)).

물과 질소 사이의 거리는 3.2 A˚이고, 물과 철 사이의 거리는 2.1 A˚이었는데, 이는 바인딩 모드가 N-산화의 진짜 모드를 나타냄을 의미한다(도 7). 상기 관찰을 추가로 지원하기 위해 구부릴 수 있는 기판과 구부릴 수 없는 기판을 사용하여 분자 도킹 시뮬레이션을 수행하였다.The distance between water and nitrogen was 3.2 A˚, and the distance between water and iron was 2.1 A˚, indicating that the binding mode represents the true mode of N-oxidation (Figure 7). To further support the above observations, molecular docking simulations were performed using bendable and non-bendable substrates.

파차베린 모델을 사용하여 도킹 시뮬레이션의 신뢰성을 확인하였으며, 시뮬레이션 결과에 따르면 구부릴 수 있는 화학 물질의 질소는 구부릴 수 없는 화합물에 비해 CYP105D18에 헴 분자의 철과 상호작용하는 물 분자와의 거리가 더 가깝다는 것을 확인하였으며(도 8), 이는 리간드의 굽힘 운동이 수산기(hydroxyl group)가 이동하는 동안 거리와 좌표를 설정하는데 중요한 기능일 수 있다고 판단된다. The reliability of the docking simulation was confirmed using the pacaverine model, and the simulation results showed that the nitrogen in the bendable chemical was closer to the water molecule interacting with the iron of the heme molecule in CYP105D18 compared to the non-bendable compound. (Figure 8), and it is believed that the bending motion of the ligand may be an important function in setting the distance and coordinates while the hydroxyl group moves.

이상으로 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다.As the specific parts of the present invention have been described in detail above, those skilled in the art will understand that these specific techniques are merely preferred embodiments and do not limit the scope of the present invention. It will be obvious.

따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다. 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents. Simple modifications or changes of the present invention can be easily used by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be considered to be included in the scope of the present invention.

Claims (10)

CYP105D18을 이용하여 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물을 N-산화시키는 단계를 포함하는 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물의 생물전환 방법.
A method for bioconversion of an isoquinoline alkaloid compound comprising the step of N-oxidizing the isoquinoline alkaloid compound using CYP105D18.
제1항에 있어서, 상기 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물은 파파베린, 코데인 및 베르베린으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물의 생물전환 방법.
The method of claim 1, wherein the isoquinoline alkaloid compound is any one selected from the group consisting of papaverine, codeine, and berberine.
제1항에 있어서, 상기 CYP105D18은 스트렙토마이세스(Streptomyces) 유래의 시토크롬 P450인 것을 특징으로 하는 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물의 생물전환 방법.
The method for bioconversion of an isoquinoline alkaloid compound according to claim 1, wherein CYP105D18 is cytochrome P450 from Streptomyces .
제1항에 있어서, 상기 CYP105D18은 스트렙토마이세스 로렌티이(Streptomyces laurentii) 유래의 시토크롬 P450인 것을 특징으로 하는 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물의 생물전환 방법.
The method for bioconversion of an isoquinoline alkaloid compound according to claim 1, wherein CYP105D18 is cytochrome P450 derived from Streptomyces laurentii .
제1항에 있어서, 상기 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물이 파파베린이고, 상기 파파베린에 대한 상기 CYP105D18의 Km 값은 212~215 μM이고, Kcat 값은 4~6 min-1인 것을 특징으로 하는 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물의 생물전환 방법.
The isoquinoline alkaloid compound of claim 1, wherein the isoquinoline alkaloid compound is papaverine, and the K m value of CYP105D18 for papaverine is 212-215 μM, and the K cat value is 4-6 min -1 . Method for bioconversion of quinoline alkaloid compounds.
제1항에 있어서, 상기 CYP105D18은 과산화수소(H2O2)에 대하여 내성을 가지는 것을 특징으로 하는 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물의 생물전환 방법.
The method for bioconversion of an isoquinoline alkaloid compound according to claim 1, wherein CYP105D18 is resistant to hydrogen peroxide (H 2 O 2 ).
제6항에 있어서, 상기 CYP105D18의 헴 산화 속도(k)는 200mM의 고농도의 과산화수소(H2O2)의 존재 하에서도 0.3 min-1 미만으로 낮은 것을 특징으로 하는 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물의 생물전환 방법.
The method of claim 6, wherein the heme oxidation rate (k) of CYP105D18 is as low as less than 0.3 min -1 even in the presence of a high concentration of 200mM hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). .
제1항에 있어서, 상기 CYP105D18은 구부러질 수 있는 구조를 가지며, 상기의 구조로 인해 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물에 대한 기질 선호도가 높은 것을 특징으로 하는 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물의 생물전환 방법.
The method for bioconversion of isoquinoline alkaloid compounds according to claim 1, wherein CYP105D18 has a bendable structure and has a high substrate preference for isoquinoline alkaloid compounds due to the structure.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 생물전환 방법에 의해 얻어진 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물.
An isoquinoline alkaloid compound obtained by the bioconversion method of any one of claims 1 to 8.
제9항에 있어서, 상기 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물은 파파베린, 코데인 및 베르베린으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이소퀴놀린 알칼로이드 화합물.The isoquinoline alkaloid compound according to claim 9, wherein the isoquinoline alkaloid compound is any one selected from the group consisting of papaverine, codeine, and berberine.
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