Oat is known to synthesize several epoxy fatty acids in seeds using peroxygenase (PXG), a type of hydroperoxide-dependent epoxygenase. This thesis aims to molecularly clone and functionally characterize the PXG genes from oat developing seeds. The research started with identifying additional PXG genes from oat expressed sequence tag (EST) databases using a previously identified oat peroxygenase AsPXG1 as a query sequence. This resulted in the identification of six homologous contig sequences from the EST data bases. Of them, two contigs with high sequence similarity and alignment with plant PXG/caleosin proteins were selected for cloning and functional analysis. Rapid amplification of cDNA ends (RACE) and reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RT-PCR) were used to retrieve the full length cDNAs of the contigs, which resulted in identification of three putative PXG genes, AsPXG2, AsPXG3 and AsPXG4. Open reading frame (ORF) of AsPXG2 is 702 bp long encoding a polypeptide of 233 amino acids, while ORFs of both AsPXG3 and AsPXG4 are 627 bp in length coding for 208 amino acids. All these putative peroxygenases comprise a single transmembrane domain, presumably for lipid droplet anchoring, conserved hisditine residues for heme-binding and a conserved EF-hand motif for calcium-binding. To functionally characterize the three genes, their ORFs were individually expressed in Escherichia coli/Pichia pastoris. The enzymatic assays showed that all transformants produced 9,10-epoxystearic acid methyl ester in the presence of oleic acid methyl ester and cumene hydroperoxide, indicating all three genes encode functional peroxygenase. AsPXG3 has the highest specific activity at 42 mol/mg/min with about 25% substrate conversion efficiency. Substrate specificity assays on free fatty acids showed that AsPXG3 could epoxidize all mono- and poly-unsaturated fatty acids tested, with linolenic acid (C18:3-9c,12c,15c) being the most preferred substrate. Site-directed mutagenesis of three conserved histidines and nine conserved residues surrounding the histidines in AsPXG3 showed that substitution of the first conserved histidine at position 32 (H1) and the third conserved histidine at position 102 (H3) with alanine respectively resulted in complete loss of the enzymatic activity, while substitution of the second conserved histidine at position 98 (H2) resulted in only slight reduction of the activity, indicating that only H1 and H3 are absolutely essential and probably involved in heme-binding for the peroxygenase. Substitution of leucine at position 29 (M1), isoleucine at position 97 (M5), and lysine at position 101 (M8) with alanine reduced the enzymatic activity on oleic acid methyl ester by more than 80% relative to the wild type enzyme, indicating these three residues are also very important for catalytic activity. The activity of M1, M5 and M8 mutants was also drastically reduced on all other free mono-unsaturated fatty acids tested (>60%). However, to linolenic acid, M5 showed only slight reduction of the activity (~15%) and M8 even increased the activity by 12% relative to the wild type enzyme. These results suggest that these conserved residues might play roles in defining the shape and size of the catalytic site for interaction of the heme with fatty acid substrates.

Unspecific peroxygenase (EC 1.11.2.1) represents a group of secreted hemethiolate proteins that are capable of catalyzing the selective mono-oxygenation of diverse organic compounds using only H2O2 as a cosubstrate. In this study, the peroxygenase from Agrocybe aegerita (AaeUPO) was found to catalyze the hydroxylation of various linear (e.g n-hexane), branched (e.g. 2,3-dimethylbutane) and cyclic alkanes (e.g. cyclohexane). The size of n-alkane substrates converted by AaeUPO ranged from gaseous propane (C3) to n-hexadecane (C16). They were mono-hydroxylated mainly at the C2 and C3 position, rather than at the terminal carbon, and the corresponding ketones were formed as a result of overoxidation. In addition, a number of alkenes were epoxidized by AaeUPO, including linear terminal (e.g. 1-heptene), branched (2-methyl-2-butene) and cyclic alkenes (e.g. cyclopentene), as well as linear and cyclic dienes (buta-1,3-diene, cyclohexa-1,4-diene). Furthermore, the conversion of terminal alkynes (e.g. 1- octyne) gave the corresponding 1-alkyn-3-ol in low yield. Some of the reactions proceeded with complete regioselectivity and - in the case of linear alkanes, terminal linear alkenes and alkynes - with moderate to high stereoselectivity. The conversion of n-octane gave (R)-3-octanol with 99% enantiomeric excess (ee) and the preponderance of the (S)-enantiomer reached up to 72% ee of the epoxide product for the conversion of 1-heptene. Catalytic efficiencies (kcat/ Km) determined for the hydroxylation and respectively epoxidation of the model compounds cyclohexane and 2-methyl-2-butene were 2.0 × 103 M-1 s-1 and 2.5 × 105 M−1 s−1. The results obtained in the deuterium isotope effect experiment with semideuterated n-hexane and the radical clock experiment with norcarane clearly demonstrated that the hydroxylation of alkanes proceeds via hydrogen abstraction, the formation of a substrate radical and a subsequent oxygen rebound mechanism. Moreover, stopped-flow experiments and substrate kinetics proved the involvement of a porphyrin radical cation species (compound I; AaeUPO-I) as reactive intermediate in the catalytic cycle of AaeUPO, similar to other hemethiolate enzymes (e.g. cytochrome P450 monooxygenases, P450s). / Die Gruppe der Unspezifischen Peroxygenasen (EC 1.11.2.1) umfasst extrazelluläre Häm-Thiolat-Enzyme, die mittels H2O2 als Cosubstrat die selektive Monooxygenierung unterschiedlicher organischer Verbindungen katalysieren. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die von Agrocybe aegerita sekretierte Peroxygenase (AaeUPO) verschiedene lineare (z. B. n-Hexan), verzweigte (z. B. 2,3-Dimethylbutan) und zyklische Alkane (z. B. Cyclohexan) hydroxyliert. Die Größe der von der AaeUPO umgesetzten Substrate reichte vom gasförmigen Propan (C3) bis hin zu n-Hexadekan (C16). Die Alkane wurden bevorzugt am zweiten und dritten Kohlenstoffatom (C2 und C3) hydroxyliert; eine Hydroxylierung am terminalen Kohlenstoff konnte nur vereinzelt und in geringem Umfang beobachtet werden. Die Überoxidationen der primär gebildeten, sekundären Alkohole führte außerdem zur Entstehung der entsprechenden Ketonderivate. Darüber hinaus wurde eine Vielzahl linearer terminaler (z. B. 1-Hepten), verzweigter (z. B. 2-Methyl-2-Buten) und zyklischer Alkene (z. B. Cyclopenten) sowie linearer und zyklischer Diene (1,3-Butadien, 1,4-Cyclohexadien) durch die AaeUPO epoxidiert. Die Umsetzung terminaler Alkine (z. B. 1-Octin) führte zur Entstehung der jeweiligen 1-Alkin-3-ole. Manche dieser Reaktionen verliefen ausgeprägt regioselektiv und, im Falle der linearen Alkane sowie der linearen terminalen Alkene und Alkine, mit mittlerer bis hoher Stereoselektivität. So ergab beispielsweise die Umsetzung von n-Octan einen Enantiomerenüberschuss größer 99% für (R)-3-Octanol; die Epoxidierung von 1-Hepten lieferte einen Enatiomeerenüberschuss (ee) von bis zu 72% für das (S)-Enantiomer. Die katalytischen Effizienzen, die für die Hydroxylierung bzw. Epoxidierung der Modellverbindungen Cyclohexan und 2-Methyl-2-Buten ermittelt wurden, betragen 2.0 × 103 M-1 s-1 und 2.5 × 105 M−1 s−1. Der ausgeprägte Deuterium-Isotopen-Effekt, der im Zuge der Umsetzung von semideuteriertem n-Hexan beobachtet wurde sowie die Ergebnisse des Radical-Clock-Experiments mit Norcarane als Substrat bestätigten, dass die Hydroxylierung von Alkanen über Wasserstoffabstraktion, die Bildung eines Substratradikals und anschließende direkte Sauerstoffrückbindung verläuft. Die Stopped-Flow-Experimente belegen zudem das Auftreten eines Porphyrin-Kationradikal-Intermediates (Compound I; AaeUPO-I) im katalytischen Zyklus der AaeUPO (vergleichbar mit dem reaktiven Intermediat der P450-Monooxygenasen).

Litter-decay fungi have recently been shown to secrete heme-thiolate peroxygenases that oxidize various organic chemicals, but little is known about the physiological role or the mechanism of these enzymes. The aromatic peroxygenase of Agrocybe aegerita (AaeAPO) was purified and catalytically characterized. An overall reaction mechanism was proposed. The results show that AaeAPO catalyzed diverse H2O2-dependent monooxygenations (two-electron oxidations) including (a) the cleavage of aliphatic and aromatic ethers, (b) the regio- and enantioselective hydroxylation of aromatic compounds, (c) the stepwise oxygenation of benzylic compounds, (d) the N-dealkylation of secondary amines and (e) the dehalogenation of halogenated aliphatic compounds as well as typical peroxidase reactions (suggested to involve one-electron oxidation) such as (f) oxidation and polymerization of phenols and (g) halogenations. The enzyme failed to oxidize polymers such as polyethylene glycol (PEG). Mechanistic studies with several model substrates provided information about the reaction cycle of AaeAPO: (1) stoichiometry of tetrahydrofuran cleavage showed that the reaction was a two-electron oxidation that generated one aldehyde group and one alcohol group, yielding the ring-opened product 4-hydroxybutanal, (2) steady-state kinetics results with methyl 3,4-dimethoxybenzyl ether, which was oxidized to 3,4-dimethoxybenzaldehyde, gave parallel double reciprocal plots suggestive of a ping-pong mechanism, (3) the cleavage of methyl 4-nitrobenzyl ether, the hydroxylation of aromatics such as diclofenac and nitrophenol and the oxygenation of benzylic compounds, resulted in incorporation of 18O into the reaction product in the presence of H218O2, and (4) the demethylation of 1-methoxy-4-trideuteromethoxybenzene showed an distinct observed intramolecular deuterium isotope effect. These results support a mechanism similar to that envisaged for the peroxygenase activity of P450s in which the enzyme heme is oxidized by H2O2 to give an iron species that carries one of the peroxide oxygen. This intermediate then abstracts a hydrogen from the substrate, which is followed by rebound of an •OH equivalent to produce the monooxygenated reaction product (hydrogen abstraction and oxygen rebound mechanism). AaeAPO may accordingly have a role in the biodegradation of natural and anthropogenic low molecular weight compounds in soils and plant litter. Moreover, the results raise the possibility that fungal peroxygenases may be useful for versatile, cost-effective, and scalable syntheses of drug metabolites and herbicide precursors. / Die Peroxygenase des Südlichen Ackerling (Agrocybe aegerita, AaeAPO) wurde gereinigt, ihr Katalysepotential ermittelt und ein allgemeiner Reaktionsmechanismus postuliert. Die AaeAPO katalysiert sowohl H2O2-abhängige Monooxygenierungen (Zwei-Elektron Oxidationen) wie (a) die Spaltung aliphatischer und aromatischer Ether, (b) die regio- und enantioselektive Hydroxylierung von Aromaten, (c) die schrittweise Monooxygenierung von Toluolderivaten, (d) die N-Dealkylierung sekundärer Amine und (e) die Dehalogenierung chlorierter Aliphaten als auch typische Reaktionen bekannter Peroxidasen (vermutlich Ein-Elektron-Oxidation) unter anderem (f) die Oxidation/ Polymerisierung von Phenolen und (g) die Halogenierung von Aromaten. Polymere Verbindungen wie Polyethylenglycol (PEG) werden nicht oxidiert. Mechanistische Untersuchungen zur Etherspaltung am Beispiel der AaeAPO haben Einblick in den generellen Reaktionsmechanismus dieses neuen Enzymtyps ermöglicht: (1) die Stöchiometrie der Spaltung von Tetrahydrofuran entspricht der einer zwei-Elektron-Oxidation, (2) die Spaltung von Methyl-3,4-Dimethoxybenzylether zu 4-Dimethoxybenzaldehyd und Methanol ergaben parallele Verläufe für die ermittelten Ausgleichsgeraden in der doppelt reziproken Darstellung, was einem „Ping-Pong“-Reaktionsmechanismus entspricht (3) die Monooxygenierungen haben stets den Einbau eines aus dem Peroxid (H2O2) stammenden Sauerstoffatoms in das Produkt zur Folge, (4) die O-Dealkylierung von 1-Methoxy-4-Trideuterummethoxybenzol zeigt einen ausgeprägten Deuterium Isotopen Effekt, was auf die primäre Abspaltung eines Wasserstoffatoms vom Substratmolekül hindeutet. Demnach verläuft die Peroxygenase-katalysierte Monooxygenierung über Wasserstoffabstraktion und eine unmittelbar anschließende Sauerstoffrückbindung (hydrogen abstraction - oxygen rebound mechanism). Diese Reaktionsabfolge ähnelt dem sogenannten peroxide "shunt" pathway, der von einer Reihe Cytochrom-P450-abhängiger Monooxygenasen her bekannt ist. Die physiologische Funktion der AaeAPO besteht möglicherweise in der extrazellulären Transformation und Detoxifikation niedermolekularer Pflanzeninhaltsstoffe, mikrobieller Metabolite und anthropogener Xenobiotika. Aufgrund der Stabilität und Unabhängigkeit der AaeAPO von teuren Kofaktoren ergeben sich vielversprechende biotechnologische Möglichkeiten zum Einsatz isolierter Biokatalysatoren in selektiven (bio)chemischen Synthesen monooxygenierter Metabolite.

Litter-decay fungi have recently been shown to secrete heme-thiolate peroxygenases that oxidize various organic chemicals, but little is known about the physiological role or the mechanism of these enzymes. The aromatic peroxygenase of Agrocybe aegerita (AaeAPO) was purified and catalytically characterized. An overall reaction mechanism was proposed. The results show that AaeAPO catalyzed diverse H2O2-dependent monooxygenations (two-electron oxidations) including (a) the cleavage of aliphatic and aromatic ethers, (b) the regio- and enantioselective hydroxylation of aromatic compounds, (c) the stepwise oxygenation of benzylic compounds, (d) the N-dealkylation of secondary amines and (e) the dehalogenation of halogenated aliphatic compounds as well as typical peroxidase reactions (suggested to involve one-electron oxidation) such as (f) oxidation and polymerization of phenols and (g) halogenations. The enzyme failed to oxidize polymers such as polyethylene glycol (PEG). Mechanistic studies with several model substrates provided information about the reaction cycle of AaeAPO: (1) stoichiometry of tetrahydrofuran cleavage showed that the reaction was a two-electron oxidation that generated one aldehyde group and one alcohol group, yielding the ring-opened product 4-hydroxybutanal, (2) steady-state kinetics results with methyl 3,4-dimethoxybenzyl ether, which was oxidized to 3,4-dimethoxybenzaldehyde, gave parallel double reciprocal plots suggestive of a ping-pong mechanism, (3) the cleavage of methyl 4-nitrobenzyl ether, the hydroxylation of aromatics such as diclofenac and nitrophenol and the oxygenation of benzylic compounds, resulted in incorporation of 18O into the reaction product in the presence of H218O2, and (4) the demethylation of 1-methoxy-4-trideuteromethoxybenzene showed an distinct observed intramolecular deuterium isotope effect. These results support a mechanism similar to that envisaged for the peroxygenase activity of P450s in which the enzyme heme is oxidized by H2O2 to give an iron species that carries one of the peroxide oxygen. This intermediate then abstracts a hydrogen from the substrate, which is followed by rebound of an •OH equivalent to produce the monooxygenated reaction product (hydrogen abstraction and oxygen rebound mechanism). AaeAPO may accordingly have a role in the biodegradation of natural and anthropogenic low molecular weight compounds in soils and plant litter. Moreover, the results raise the possibility that fungal peroxygenases may be useful for versatile, cost-effective, and scalable syntheses of drug metabolites and herbicide precursors. / Die Peroxygenase des Südlichen Ackerling (Agrocybe aegerita, AaeAPO) wurde gereinigt, ihr Katalysepotential ermittelt und ein allgemeiner Reaktionsmechanismus postuliert. Die AaeAPO katalysiert sowohl H2O2-abhängige Monooxygenierungen (Zwei-Elektron Oxidationen) wie (a) die Spaltung aliphatischer und aromatischer Ether, (b) die regio- und enantioselektive Hydroxylierung von Aromaten, (c) die schrittweise Monooxygenierung von Toluolderivaten, (d) die N-Dealkylierung sekundärer Amine und (e) die Dehalogenierung chlorierter Aliphaten als auch typische Reaktionen bekannter Peroxidasen (vermutlich Ein-Elektron-Oxidation) unter anderem (f) die Oxidation/ Polymerisierung von Phenolen und (g) die Halogenierung von Aromaten. Polymere Verbindungen wie Polyethylenglycol (PEG) werden nicht oxidiert. Mechanistische Untersuchungen zur Etherspaltung am Beispiel der AaeAPO haben Einblick in den generellen Reaktionsmechanismus dieses neuen Enzymtyps ermöglicht: (1) die Stöchiometrie der Spaltung von Tetrahydrofuran entspricht der einer zwei-Elektron-Oxidation, (2) die Spaltung von Methyl-3,4-Dimethoxybenzylether zu 4-Dimethoxybenzaldehyd und Methanol ergaben parallele Verläufe für die ermittelten Ausgleichsgeraden in der doppelt reziproken Darstellung, was einem „Ping-Pong“-Reaktionsmechanismus entspricht (3) die Monooxygenierungen haben stets den Einbau eines aus dem Peroxid (H2O2) stammenden Sauerstoffatoms in das Produkt zur Folge, (4) die O-Dealkylierung von 1-Methoxy-4-Trideuterummethoxybenzol zeigt einen ausgeprägten Deuterium Isotopen Effekt, was auf die primäre Abspaltung eines Wasserstoffatoms vom Substratmolekül hindeutet. Demnach verläuft die Peroxygenase-katalysierte Monooxygenierung über Wasserstoffabstraktion und eine unmittelbar anschließende Sauerstoffrückbindung (hydrogen abstraction - oxygen rebound mechanism). Diese Reaktionsabfolge ähnelt dem sogenannten peroxide "shunt" pathway, der von einer Reihe Cytochrom-P450-abhängiger Monooxygenasen her bekannt ist. Die physiologische Funktion der AaeAPO besteht möglicherweise in der extrazellulären Transformation und Detoxifikation niedermolekularer Pflanzeninhaltsstoffe, mikrobieller Metabolite und anthropogener Xenobiotika. Aufgrund der Stabilität und Unabhängigkeit der AaeAPO von teuren Kofaktoren ergeben sich vielversprechende biotechnologische Möglichkeiten zum Einsatz isolierter Biokatalysatoren in selektiven (bio)chemischen Synthesen monooxygenierter Metabolite.

Unspecific peroxygenase (EC 1.11.2.1) represents a group of secreted hemethiolate proteins that are capable of catalyzing the selective mono-oxygenation of diverse organic compounds using only H2O2 as a cosubstrate. In this study, the peroxygenase from Agrocybe aegerita (AaeUPO) was found to catalyze the hydroxylation of various linear (e.g n-hexane), branched (e.g. 2,3-dimethylbutane) and cyclic alkanes (e.g. cyclohexane). The size of n-alkane substrates converted by AaeUPO ranged from gaseous propane (C3) to n-hexadecane (C16). They were mono-hydroxylated mainly at the C2 and C3 position, rather than at the terminal carbon, and the corresponding ketones were formed as a result of overoxidation. In addition, a number of alkenes were epoxidized by AaeUPO, including linear terminal (e.g. 1-heptene), branched (2-methyl-2-butene) and cyclic alkenes (e.g. cyclopentene), as well as linear and cyclic dienes (buta-1,3-diene, cyclohexa-1,4-diene). Furthermore, the conversion of terminal alkynes (e.g. 1- octyne) gave the corresponding 1-alkyn-3-ol in low yield. Some of the reactions proceeded with complete regioselectivity and - in the case of linear alkanes, terminal linear alkenes and alkynes - with moderate to high stereoselectivity. The conversion of n-octane gave (R)-3-octanol with 99% enantiomeric excess (ee) and the preponderance of the (S)-enantiomer reached up to 72% ee of the epoxide product for the conversion of 1-heptene. Catalytic efficiencies (kcat/ Km) determined for the hydroxylation and respectively epoxidation of the model compounds cyclohexane and 2-methyl-2-butene were 2.0 × 103 M-1 s-1 and 2.5 × 105 M−1 s−1. The results obtained in the deuterium isotope effect experiment with semideuterated n-hexane and the radical clock experiment with norcarane clearly demonstrated that the hydroxylation of alkanes proceeds via hydrogen abstraction, the formation of a substrate radical and a subsequent oxygen rebound mechanism. Moreover, stopped-flow experiments and substrate kinetics proved the involvement of a porphyrin radical cation species (compound I; AaeUPO-I) as reactive intermediate in the catalytic cycle of AaeUPO, similar to other hemethiolate enzymes (e.g. cytochrome P450 monooxygenases, P450s). / Die Gruppe der Unspezifischen Peroxygenasen (EC 1.11.2.1) umfasst extrazelluläre Häm-Thiolat-Enzyme, die mittels H2O2 als Cosubstrat die selektive Monooxygenierung unterschiedlicher organischer Verbindungen katalysieren. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die von Agrocybe aegerita sekretierte Peroxygenase (AaeUPO) verschiedene lineare (z. B. n-Hexan), verzweigte (z. B. 2,3-Dimethylbutan) und zyklische Alkane (z. B. Cyclohexan) hydroxyliert. Die Größe der von der AaeUPO umgesetzten Substrate reichte vom gasförmigen Propan (C3) bis hin zu n-Hexadekan (C16). Die Alkane wurden bevorzugt am zweiten und dritten Kohlenstoffatom (C2 und C3) hydroxyliert; eine Hydroxylierung am terminalen Kohlenstoff konnte nur vereinzelt und in geringem Umfang beobachtet werden. Die Überoxidationen der primär gebildeten, sekundären Alkohole führte außerdem zur Entstehung der entsprechenden Ketonderivate. Darüber hinaus wurde eine Vielzahl linearer terminaler (z. B. 1-Hepten), verzweigter (z. B. 2-Methyl-2-Buten) und zyklischer Alkene (z. B. Cyclopenten) sowie linearer und zyklischer Diene (1,3-Butadien, 1,4-Cyclohexadien) durch die AaeUPO epoxidiert. Die Umsetzung terminaler Alkine (z. B. 1-Octin) führte zur Entstehung der jeweiligen 1-Alkin-3-ole. Manche dieser Reaktionen verliefen ausgeprägt regioselektiv und, im Falle der linearen Alkane sowie der linearen terminalen Alkene und Alkine, mit mittlerer bis hoher Stereoselektivität. So ergab beispielsweise die Umsetzung von n-Octan einen Enantiomerenüberschuss größer 99% für (R)-3-Octanol; die Epoxidierung von 1-Hepten lieferte einen Enatiomeerenüberschuss (ee) von bis zu 72% für das (S)-Enantiomer. Die katalytischen Effizienzen, die für die Hydroxylierung bzw. Epoxidierung der Modellverbindungen Cyclohexan und 2-Methyl-2-Buten ermittelt wurden, betragen 2.0 × 103 M-1 s-1 und 2.5 × 105 M−1 s−1. Der ausgeprägte Deuterium-Isotopen-Effekt, der im Zuge der Umsetzung von semideuteriertem n-Hexan beobachtet wurde sowie die Ergebnisse des Radical-Clock-Experiments mit Norcarane als Substrat bestätigten, dass die Hydroxylierung von Alkanen über Wasserstoffabstraktion, die Bildung eines Substratradikals und anschließende direkte Sauerstoffrückbindung verläuft. Die Stopped-Flow-Experimente belegen zudem das Auftreten eines Porphyrin-Kationradikal-Intermediates (Compound I; AaeUPO-I) im katalytischen Zyklus der AaeUPO (vergleichbar mit dem reaktiven Intermediat der P450-Monooxygenasen).

Chloroperoxidase (CPO) from Caldariomyces fumago is a versatile heme enzyme with great potential for environmental and pharmaceutical applications. It catalyzes a plethora of reactions including halogenation, dismutation, epoxidation, and oxidation. The diverse catalytic capabilities of CPO have long been attributed to the protein’s distinct active site that combines structural features of peroxidases and cytochromes P450. Particularly, the role of the axial thiolate ligand in CPO catalysis has been much debated. Furthermore, no data are available on the role of hydrogen bonding between Arg 26-Asn 37 and Ala 27-Asn 33 of the proximal helix in defining the structural and catalytic properties of CPO. In order to investigate the influence of the proximal thiolate and the proximal hydrogen bond network on the structural and biochemical properties of CPO, several mutant CPOs were constructed and characterized using various spectroscopic techniques and enzymatic assays. Cysteine 29, which coordinates to the heme, was replaced with a His (C29H) to mimic the proximal ligation of classical peroxidases. The UV-Vis spectrum of the carbon monoxide complex of ferrous C29H mutant remained essentially identical to that of wild type (WT) CPO and P450 although the ferric state of the variant enzyme showed a spectral pattern reminiscent of a classical histidine ligated heme peroxidase. Histidine ligation was further confirmed by paramagnetic NMR spectroscopy. Contrary to a previous report, the specific chlorination activity of C29H was essentially abolished (less than 1% of that of WT CPO) but the epoxidation and peroxidation activities were enhanced 10-fold and 55-fold, respectively. These findings demonstrate for the first time that the heme ligand, Cys 29 in CPO, is not a prerequisite for CPO’s unique P450-like spectroscopic signatures but is constitutive for the protein’s versatile catalytic activities. Arginine 26 and Asparagine 33 in the proximal heme pocket were replaced with Ala (R26A, N33A, and R26A/N33A) to disrupt hydrogen bonding. Tertiary structures and heme environments of R26A, N33A, and R26A/N33A differed from those of WT CPO as determined by CD spectroscopy. The specific chlorination and dismutation activities of all mutants were almost abolished but the peroxidation and epoxidation rates were increased. These results show that the proximal hydrogen bond network plays an important role in maintaining the structure and catalytic diversity of CPO.

Chloroperoxidase (CPO) is one of the most versatile heme enzyme isolated from the marine fungus, Caldariomyces fumago. Functionally, CPO can catalyze four types of reactions: peroxidation (peroxidase-like), dismutation (catalase-like), halogenation (halogenase-like), and peroxygenation (P450-like). Structurally, CPO has a distal and proximal pockets that can be best described as a hybrid of classical peroxidase and P450s. As a heme-thiolate protein, CPO contains the conserved proximal Pro28-Cys29-Pro30 stretch found in other members of the family. However, the structural and functional roles of these proline residues remain poorly understood. Site-directed mutagenesis was undertaken to generates three CPO mutants, P28A-, P30A-, P28A/P30A-CPO. The replacement of the rigid proline with a more flexible alanine residue, freed up the back bone amide for the formation of additional amide-sulfur hydrogen bond, allowing the investigation of the importance of these residues in CPO catalysis. The three CPO mutants displayed dramatic difference in ligand binding affinity and catalytic activities relative to WT-CPO. Any mutations on the proline resides within the proximal loop eliminated the halogenation and dismutation activities but enhanced the vii epoxidation and peroxidation activities by 4-14 fold. As the binding affinity for cyanide, the CPO mutants displayed significantly higher dissociation constant relative to WT-CPO. Our results revealed that Pro28 and Pro30 play important roles in maintaining the versatility of CPO. As a versatile enzyme, CPO has great application potential in pharmaceutical and chemical industry due to its ability to catalyze the formation of chiral epoxides. Phe103 and Phe186 located on the distal pocket have been proposed to guard the access of substrates to the ferryl oxygen of the heme center. The interactions of these two phenylalanine residues restricted the size of substrates and regulates CPO’s enantioselectivity. F186A- and F103A/F186A-CPO were generated and characterized where the rate of peroxidation and epoxidation were significantly enhanced at the expense of halogenation and dismutation activities. Our results demonstrated that Phe186 played a subtler role relative to Phe103 in terms of substrate specificity and product enantioselectivity of CPO.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der unspezifischen Peroxygenase (UPO), einer ausschließlich von Pilzen produzierten Oxidoreduktase. Die Dissertation besteht aus drei wesentlichen Teilen: 1.) Untersuchungen zum Substratspektrum zweier ausgewählter UPOs, 2.) Untersuchungen zur Inaktivierung von UPOs, und 3.) die Etablierung einer Kaskadenreaktion von UPOs und pilzlichen Oxidasen zur Oxidation von Hydroxymethylfurfural (HMF) zu 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA). 1) Oxidation ausgewählter organischer Schadstoffe Die Mehrheit der getesteten organischen Schadstoffe (35 von 44 chemischen Verbindungen, vgl. Tabelle 6), inklusive verschiedener Xenobiotika wie chlorierte Benzole und deren Derivate, halogenierte Biphenylether, Nitroaromaten, PAK und Phthalate, wurden durch lediglich zwei UPOs (AaeUPO und MroUPO) oxidativ umgewandelt und damit aktiviert. Die von den UPOs katalysierten Reaktionen waren durch drei Substrat-Eigenschaften limitiert: 1.) sterische Hemmung, u.a. infolge einer hohen Zahl an Substituenten (z.B. Hexachlorbenzol) oder aufgrund der grundsätzliche Sperrigkeit (Größe) des Substrat-Moleküls (z.B. 6-Ring-PAK wie Benzo[g,h,i]perylen), 2.) Inaktivierung des aromatischen Ringes durch elektronenziehende Gruppen (z.B. im Nitrobenzol) und 3.) geringe Bioverfügbarkeit und Wasserlöslichkeit. Während die Verhinderung der Oxidation durch geringe Löslichkeit und sterische Hemmung bereits von Peter (2013) und Poraj-Kobielska (2013) beschrieben wurden, stellt die Limitation durch Substrat-Deaktivierung, wie im Fall des Nitrobenzols, einen neuen Befund. 2) Inaktivierung von UPOs Für alle getesteten UPOs konnte eine intrinsische Katalase-Aktivität nachgewiesen werden, wobei deren Ausmaß unter den getesteten Enzymen stark variierte. So unterschieden sich die katalytischen Effizienzen der Katalase-Aktivität von AaeUPO und rCciUPO um eine Größenordnung, während die der MroUPO sich dazwischen einordnete. Im Rahmen der Untersuchungen konnte für die AaeUPO die Bildung eines reaktionsträgen Intermediats, der UPO-Compound III (cpd-3), nach Exposition gegenüber hohen H2O2-Konzentrationen, gezeigt werden. Außerdem wurde Biliverdin als Abbauprodukt der H2O2-katalysierten Oxidation des UPO-Häms detektiert (inaktivierende Spontan-Oxidation). Diese Verbindung entstand höchstwahrscheinlich durch die Reaktion des Häms mit Hydroxyl-Radikalen (•OH), die wiederum ein Ergebnis der Reaktion der UPO-cpd-3 und H2O2 waren. Als Quintessenz dieser Untersuchungen kann zusammenfassend festgestellt werden, dass es für den schonenden Einsatz und die optimale Performance der UPOs notwendig ist, ein „optimales Verhältnis“ bezüglich der Konzentrationen des Zielsubstrates, des UPO-Proteins und des Peroxids einzustellen. Dieses Verhältnis muss für jede UPO-Substrat-Kombination experimentell empirisch ermittelt werden, wobei als Faustregel gilt: Je niedriger die lokale/stationäre Cosubstrat-Konzentration (H2O2) im Reaktionsmedium ist, desto geringer wird die schädigende Wirkung auf die UPO ausfallen. 3) HMF-Oxidation durch UPOs und pilzliche Oxidasen in einer Kaskaden-Reaktion Obwohl die AaeUPO prinzipiell in der Lage ist, HMF und nahezu jedes seiner primären und sekundären Derivate (mit Ausnahme von 5-Hydroxymethyl-2-furosäure) zu oxidieren, verläuft die vollständige Oxidation nur wenig effizient; insbesondere der letzte Schritt von der 5-formyl-2-furosäure (FFCA) zur FDCA ist reaktionslimitierend. Unter einfachen Reaktionsbedingungen (einmalige Zugabe von H2O2) würde das Peroxid von der AaeUPO unproduktiv verbraucht und das Enzym größtenteils inaktiviert, ohne dass dabei substanzielle Mengen an FDCA gebildet würden. Erst durch die Kombination einer UPO mit geeigneten Oxidasen (Arylalkoholoxidase - AAO und/oder Galactoseoxidase - GAO) konnte die FDCA-Ausbeute substantiell erhöht werden (7,9 mM in 10 mL). Hierbei sind zusammenfassend folgende positive Effekte hervorzuheben: 1.) Oxidasen stellen geeignetes H2O2 für die UPOs bereit, 2.) nur die GAO kann auch intermediär gebildetes HMFCA oxidieren und 3.) durch die schonende Bereitstellung von H2O2 für die UPO verringert sich die lokale Konzentration des Oxidationsmittels soweit, dass eine Schädigung des Enzyms vermieden wird (bei gleichzeitiger substantieller FFCA-Oxidation). Auf dieser Grundlage konnte eine dreistufige enzymatische Synthese von FDCA aus HMF realisiert werden.

Peroxidasen des Typs ClassII sowie die Chlorperoxidase waren für mehrere Jahrzehnte die einzigen bekannten sekretorischen Hämperoxidasen aus Pilzen. Im Jahr 2004 wurde eine neue, ungewöhnliche Hämperoxidase aus dem Speisepilz Agrocybe aegerita isoliert und biochemisch charakterisiert. Diese Peroxidase, heute offiziell Unspezifische Peroxygenase (UPO, EC 1.11.2.1) genannt, vereint in sich Eigenschaften sowohl intrazellulärer Cytochrom-P450-Enzyme als auch klassischer extrazellulärer, pilzlicher Peroxidasen des Typs ClassII. In dieser Arbeit wurden für den UPO-Modellorganismus A. aegerita und für andere UPO-produzierende Pilze erstmals Nukleotidsequenzen der Enzyme ermittelt und phylogenetisch analysiert. Die Genome zweier Stämme von A. aegerita wurden sequenziert. Die Ergebnisse legen nahe, dass UPOs gemeinsam mit der Chlorperoxidase Vertreter einer phylogenetisch alten Protein-Superfamilie (Häm-Thiolat-Peroxidasen) darstellen, die in allen echten Pilzen (Eumycota) zu finden ist, aber in echten Hefen und einigen hefeartig wachsenden Basidiomyceten sekundär reduziert wurde. Die natürliche Funktion dieser extrazellulären Enzyme ist bislang unbekannt. Im Labor können UPOs ausschließlich unter Verwendung leguminosenhaltiger Kulturmedien induziert werden. Die induzierende Komponente aus Soja wurde in dieser Arbeit als proteinogen identifiziert. Eine zweite neue, extrazelluläre Hämperoxidase-Superfamilie ausserhalb der ClassII-Peroxidasen wurde im Totholz bewohnenden Pilz Bjerkandera adusta entdeckt. Die als DyP-type-Peroxidasen benannten Enzyme (DyP, EC 1.11.1.19) wurden später auch in anderen Pilzen gefunden, von denen in dieser Arbeit ebenso Nukleotidsequenzen erhalten wurden. Die phylogenetische Analyse ergab, dass pilzliche Sequenzen der DyP-type-Peroxidase-Superfamilie sehr ungleichmäßig sowie ausschließlich in den Genomen höherer Pilze (Dikarya) verteilt sind und vermutlich einen prokaryotischen Ursprung haben. Transkripte von UPO- und DyP-Genen wurden in nahezu allen untersuchten Laubstreuproben aus unterschiedlich stark genutzten Waldgebieten der Deutschen Biodiversitätsexploratorien nachgewiesen. Dies legt eine biologische Funktion dieser neuen Hämperoxidase-Superfamilien in entsprechenden Habitaten nahe. / For several decades ClassII peroxidases and chloroperoxidase have been the only known secretory heme peroxidases from fungi. In 2004, a novel heme peroxidase was isolated and characterized from the edible mushroom Agrocybe aegerita. This enzym, nowadays called unspecific peroxygenase (UPO, EC 1.11.2.1), combines characteristics of intracellular cytochrom P450 enzymes as well as extracellular classII fungal peroxidases. In the course of this PhD work, for the first time nuleotide sequences of UPO model organism A. aegerita as well as other UPO producing fungi were obtained and phylogenetically analyzed. The whole-genome sequences of two strains of A.aegerita were obtained. The results suggest that UPOs and the chloroperoxidase together represent a phylogenetically old protein superfamily (of heme-thiolate peroxidases) that is found in all true fungi (Eumycota), but is secondarily reduced in true yeasts and a few yeast-like growing basidiomycetes. The natural function of these enzymes remains unclear. In the laboratory, fungi secrete UPOs solely in legume-containing culture media. The eliciting component of the legume soybean has been determined as proteinogenic. A second novel heme peroxidase superfamily outside the classII peroxidases was discovered in deadwood inhabiting fungus Bjerkandera adusta. These so-called DyP-type peroxidases (DyP, EC 1.11.1.19) were later found expressed in several other fungi for which nucleotide sequences were obtained in this work, too. Phylogenetical analysis revealed that fungal DyP sequences are exclusively but very unequally distributed in genomes of higher fungi (Dikarya). Fungal DyP sequences are seemingly decended from prokaryotes. Transcripts encoding UPOs and DyPs were found in almost every sample of leave litter (derived from forests with different intensity of human usage) investigated. This suggests biological functions of these new heme peroxidase superfamilies in respective habitats.

Die enzymatischen Transformationen mit der pilzlichen Peroxygenase aus Agrocybe aegerita haben gezeigt, dass das Enzym insgesamt über ein sehr breites Substratspektrum bezüglich der Flavonoide verfügt. Die Flavonoide werden mittels AaeAPO regioselektiv in 6-Position hydroxyliert. Der Reaktionsmechanismus der AaeAPO bei Flavonoiden läuft über eine Epoxidstufe ab, wobei der eingefügte Sauerstoff bei Hydroxylierungen dem Wasserstoffperoxid entstammt (Hinweis auf eine echte Peroxygenase-Reaktion). Die Enzymproduktion der Agrocybe aegerita wird durch den Extraktzusatz (aus jeweils Aronia melanocarpa, Fragaria ananassa, Trifolium pratense und Bellis perennis) im Fall der Laccase stimuliert. Die AaeAPO -Aktivität wird dagegen gehemmt. Für Bjerkandera adusta kann eine moderate Stimulierung der MnP-Bildung nach der Extraktzugabe beobachtet werden. Der positive bzw. negative Einfluss auf die Enzymproduktion ist bei Agrocybe aegerita sowohl auf Flavonoide als auch auf das Lösungsmittel Ethanol zurückzuführen.