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  <dcvalue element="contributor" qualifier="advisor">최권영</dcvalue>
  <dcvalue element="contributor" qualifier="author">박현아</dcvalue>
  <dcvalue element="date" qualifier="issued">2022-08</dcvalue>
  <dcvalue element="identifier" qualifier="other">32247</dcvalue>
  <dcvalue element="identifier" qualifier="uri">https:&#x2F;&#x2F;aurora.ajou.ac.kr&#x2F;handle&#x2F;2018.oak&#x2F;21301</dcvalue>
  <dcvalue element="description" qualifier="none">학위논문(박사)--아주대학교&#x20;일반대학원&#x20;:환경공학과,2022.&#x20;8</dcvalue>
  <dcvalue element="description" qualifier="abstract">본&#x20;연구는&#x20;사이토크롬&#x20;P450(CYP)&#x20;효소의&#x20;위치특이적&#x20;수산화&#x20;활성을&#x20;바이오폴리머&#x20;합성&#x20;분야에&#x20;활용한&#x20;연구를&#x20;다루고&#x20;있다.&#x20;CYP&#x20;효소를&#x20;사용해&#x20;바이오플라스틱&#x20;단량체인&#x20;α,ω-도데칸다이올과&#x20;신규&#x20;멜라닌&#x20;바이오&#x20;폴리머를&#x20;생합성하였다.&#x20;사이토크롬&#x20;P450&#x20;수산화&#x20;효소는&#x20;기질의&#x20;위치특이적&#x20;수산화&#x20;반응을&#x20;위한&#x20;생촉매로&#x20;사용될&#x20;수&#x20;있으며&#x20;기질의&#x20;특정&#x20;위치에&#x20;수산화기를&#x20;치환할&#x20;수&#x20;있다는&#x20;점에서&#x20;화학적&#x20;합성에&#x20;비해&#x20;이점을&#x20;갖는다.&#x0A;도데칸다이올은&#x20;폴리에스터,&#x20;폴리우레탄&#x20;등의&#x20;고분자&#x20;단량체로&#x20;활용할&#x20;수&#x20;있고,&#x20;산화반응&#x20;또는&#x20;아미노기&#x20;전이반응을&#x20;등을&#x20;통해&#x20;다른&#x20;종류의&#x20;고분자&#x20;단량체로&#x20;전환이&#x20;가능한&#x20;바이오&#x20;플라스틱&#x20;산업에서&#x20;활용도가&#x20;높은&#x20;물질이다.&#x20;대장균&#x20;내에&#x20;‘기질&#x20;유입&#x20;효소-CYP효소-전자전달효소’&#x20;발현&#x20;시스템을&#x20;모듈화하여&#x20;구축하였으며,&#x20;1-도데칸올에&#x20;대한&#x20;omega&#x20;위치&#x20;특이적&#x20;수산화&#x20;활성을&#x20;갖는&#x20;CYP&#x20;효소를&#x20;전세포반응을&#x20;통해&#x20;선별하고&#x20;도데칸&#x20;기질의&#x20;omega&#x20;수산화&#x20;성능&#x20;또한&#x20;평가하였다.&#x20;그&#x20;결과,&#x20;1-dodecanol과&#x20;dodecane에&#x20;대한&#x20;위치&#x20;특이적&#x20;수산화가&#x20;가능한&#x20;효소&#x20;CYP153A33과&#x20;Nfa22290을&#x20;선별하는&#x20;데&#x20;성공하였으나&#x20;전환&#x20;수준이&#x20;약&#x20;23%로&#x20;높지&#x20;않았고,&#x20;과산화(overoxidation)&#x20;부산물인&#x20;도데칸산이&#x20;생성물의&#x20;약&#x20;10%를&#x20;차지하는&#x20;한계가&#x20;있었다.&#x20;α,ω-다이올로의&#x20;기질전환&#x20;비율을&#x20;높이기&#x20;위한&#x20;목적으로&#x20;CYP153A33&#x20;효소의&#x20;돌연변이를&#x20;제작하였다.&#x20;CYP153A33-도데칸올&#x20;결합&#x20;시뮬레이션을&#x20;통해&#x20;도출한&#x20;모델을&#x20;기반으로&#x20;하여&#x20;구조를&#x20;분석하였다.&#x20;기존의&#x20;CYP153A33&#x20;효소&#x20;구조변이&#x20;관련&#x20;선행연구는&#x20;기질과&#x20;직접&#x20;결합하는&#x20;수산화&#x20;활성부위에&#x20;집중되어&#x20;이루어졌으나,&#x20;본&#x20;연구에서는&#x20;수산화활성&#x20;부위와&#x20;더불어&#x20;기질이&#x20;효소&#x20;내부로&#x20;유입되는&#x20;메커니즘에&#x20;집중하였고,&#x20;효소&#x20;표면구조의&#x20;loop가&#x20;기질의&#x20;유입에&#x20;영향을&#x20;미칠&#x20;수&#x20;있음을&#x20;증명하였다.&#x20;Loop를&#x20;구성하는&#x20;아미노산&#x20;서열&#x20;중&#x20;Proline&#x20;135-Proline&#x20;136&#x20;연속&#x20;구조가&#x20;loop의&#x20;기질유입&#x20;핵심부위에&#x20;위치함을&#x20;확인하였고&#x20;이로&#x20;인해&#x20;유발되는&#x20;rigidity를&#x20;줄이기&#x20;위해&#x20;proline&#x20;136을&#x20;alanine으로&#x20;치환함으로써&#x20;기질의&#x20;유입을&#x20;용이케&#x20;하였다.&#x20;이로써&#x20;1-도데칸올의&#x20;생전환율을&#x20;약&#x20;71%&#x20;수준으로&#x20;3배&#x20;이상&#x20;높였으며,&#x20;그&#x20;중&#x20;도데칸산이&#x20;차지하는&#x20;비율은&#x20;1%&#x20;미만으로&#x20;낮추어&#x20;CYP153A33&#x20;효소의&#x20;활용가치를&#x20;높였다.&#x0A;Tyr-멜라닌은&#x20;아미노산&#x20;L-타이로신으로부터&#x20;타이로시네이즈&#x20;효소&#x20;반응으로&#x20;전합성이&#x20;가능한&#x20;바이오폴리머이다.&#x20;타이로신을&#x20;시작물질로&#x20;한&#x20;도파크롬&#x20;유도체&#x20;단량체가&#x20;무작위&#x20;중합된&#x20;형태로,&#x20;conjugation&#x20;구조이며&#x20;짙은&#x20;갈색을&#x20;띄는&#x20;특징이&#x20;있기&#x20;때문에&#x20;전자전달이&#x20;가능하고&#x20;유기반도체&#x20;소재,&#x20;흑색&#x20;유기안료,&#x20;자외선&#x20;차단&#x20;물질&#x20;등으로&#x20;응용이&#x20;가능하다.&#x20;무작위&#x20;중합으로&#x20;고분자의&#x20;정확한&#x20;구조를&#x20;알&#x20;수&#x20;없는&#x20;한계점이&#x20;있지만&#x20;단량체&#x20;구성을&#x20;변경하는&#x20;방식으로&#x20;응용처를&#x20;확장해볼&#x20;수&#x20;있는&#x20;가능성이&#x20;있는&#x20;물질이다.&#x20;L-트립토판을&#x20;시작물질로&#x20;하는&#x20;indoxyl&#x20;유도체를&#x20;단량체로&#x20;포함시키는&#x20;전략으로&#x20;기존과&#x20;차별된&#x20;물성을&#x20;갖는&#x20;신규&#x20;멜라닌을&#x20;합성하고자&#x20;하였다.&#x20;사용한&#x20;효소는&#x20;CYP102G4로&#x20;인돌의&#x20;3번&#x20;탄소에&#x20;위치&#x20;특이적으로&#x20;수산화를&#x20;하는&#x20;CYP&#x20;효소로,&#x20;도파크롬&#x20;단량체를&#x20;중합하는&#x20;타이로시네이즈&#x20;효소의&#x20;촉매&#x20;작용이&#x20;가능할&#x20;것으로&#x20;생각되었다.&#x20;새롭게&#x20;적용된&#x20;CYP102G4&#x20;효소와&#x20;기존의&#x20;Tyr-멜라닌&#x20;합성&#x20;생촉매인&#x20;타이로시네이즈를&#x20;동시발현하여&#x20;대장균&#x20;내에서&#x20;신규&#x20;멜라닌&#x20;합성&#x20;경로를&#x20;구축하여&#x20;생합성하였고,&#x20;결론적으로&#x20;Tyr-멜라닌&#x20;대비&#x20;짙은&#x20;흑색에&#x20;가까운&#x20;색의&#x20;CYP-멜라닌을&#x20;합성하는&#x20;데&#x20;성공하였다.&#x20;멜라닌&#x20;생성량&#x20;또한&#x20;기존의&#x20;리터당&#x20;수백밀리그램&#x20;수준에서&#x20;3g&#x20;이상으로&#x20;크게&#x20;증가하였으며,&#x20;공극률과&#x20;표면적이&#x20;높진&#x20;않지만&#x20;전극물질로써&#x20;활용&#x20;가능성을&#x20;확인하였다.&#x20;또한&#x20;FT-ICR&#x20;분석을&#x20;통해&#x20;신규&#x20;멜라닌이&#x20;기존에&#x20;비해&#x20;높은&#x20;비율로&#x20;황원소를&#x20;포함하는&#x20;것을&#x20;확인하였다.&#x0A;결론적으로&#x20;본&#x20;연구는&#x20;CYP&#x20;효소를&#x20;다이올&#x20;형태의&#x20;고분자&#x20;단량체&#x20;및&#x20;신규&#x20;멜라닌&#x20;고분자&#x20;생합성에&#x20;활용하여&#x20;효소의&#x20;응용처를&#x20;확장하였으며,&#x20;CYP&#x20;효소의&#x20;구조&#x20;및&#x20;기질결합&#x20;메커니즘에&#x20;기반한&#x20;개량을&#x20;통해&#x20;위치특이적&#x20;수산화&#x20;활성을&#x20;증대함으로써&#x20;CYP의&#x20;응용과&#x20;개량에&#x20;관한&#x20;학문적&#x20;기반을&#x20;제공했다는&#x20;점에서&#x20;의의가&#x20;있다.&#x0A;주요어:&#x20;P450&#x20;효소&#x20;(CYP&#x20;효소),&#x20;위치특이적&#x20;수산화,&#x20;바이오&#x20;단량체,&#x20;바이오&#x20;폴리머,&#x20;도데칸다이올,&#x20;멜라닌</dcvalue>
  <dcvalue element="description" qualifier="tableofcontents">Chapter&#x20;Ⅰ.&#x20;α,ω-oxyfunctionalization&#x20;of&#x20;aliphatic&#x20;substrates&#x20;(1-dodecanol&#x20;and&#x20;dodecane)&#x20;via&#x20;whole-cell&#x20;biocatalysis&#x20;of&#x20;CYP153A33&#x20;and&#x20;Nfa22290&#x09;１&#x0A;&#x20;A.&#x09;Abstract&#x09;&#x20;&#x20;&#x20;&#x20;&#x09;２&#x0A;&#x20;B.&#x09;Introduction&#x09;３&#x0A;&#x20;C.&#x09;Materials&#x20;and&#x20;Methods&#x09;７&#x0A;&#x20;&#x20;1.&#x09;Chemicals&#x20;and&#x20;reagents.&#x09;７&#x0A;&#x20;&#x20;2.&#x09;Cloning&#x20;and&#x20;expression&#x20;of&#x20;CYPs&#x20;and&#x20;whole-cell&#x20;reaction&#x20;in&#x20;E.&#x20;coli&#x09;&#x09;&#x09;７&#x0A;&#x20;&#x20;3.&#x09;UV-vis&#x20;assays&#x20;of&#x20;cytochrome&#x20;P450&#x20;enzymes&#x09;８&#x0A;&#x20;&#x20;4.&#x09;Whole-cell&#x20;biotransformation&#x20;of&#x20;1-dodecanol&#x09;８&#x0A;&#x20;&#x20;5.&#x09;Gas&#x20;chromatography&#x20;analysis&#x09;９&#x0A;&#x20;D.&#x09;Results&#x20;and&#x20;Discussion&#x09;１１&#x0A;&#x20;&#x20;1.&#x09;Construction&#x20;of&#x20;the&#x20;CYP153A33&#x20;expression&#x20;system&#x20;in&#x20;E.&#x20;coli&#x20;and&#x20;whole-cell&#x20;biotransformation&#x20;of&#x20;1-dodecanol&#x20;by&#x20;using&#x20;the&#x20;recombinant&#x20;E.&#x20;coli&#x20;strain&#x09;&#x09;１１&#x0A;&#x20;&#x20;2.&#x09;Two&#x20;transporter&#x20;systems&#x20;for&#x20;FadL&#x20;and&#x20;AlkL&#x20;in&#x20;1-dodecanol&#x2F;&#x20;dodecane&#x20;biotransformation&#x09;１６&#x0A;&#x20;&#x20;3.&#x09;Oxidation&#x20;product&#x20;analysis&#x20;of&#x20;C12-oxidized&#x20;intermediates&#x20;via&#x20;whole-cell&#x20;reaction&#x20;by&#x20;using&#x20;the&#x20;recombinant&#x20;E.&#x20;coli&#x09;２１&#x0A;&#x20;&#x20;4.&#x09;Enhancing&#x20;the&#x20;production&#x20;of&#x20;α,ω-dodecanaediol&#x20;via&#x20;co-factor&#x20;optimization&#x09;２６&#x0A;&#x20;&#x20;5.&#x09;Bioinformatic&#x20;analysis&#x20;for&#x20;the&#x20;selection&#x20;of&#x20;1-dodecanol&#x20;hydroxylation&#x20;CYPs&#x20;from&#x20;N.&#x20;farcinica&#x09;２８&#x0A;&#x20;&#x20;6.&#x09;Spectral&#x20;feature&#x20;of&#x20;Nfa22290,&#x20;Nfa22930,&#x20;and&#x20;Nfa33510:&#x20;carbon&#x20;monoxide&#x20;(CO)-binding&#x20;assays&#x09;３４&#x0A;&#x20;&#x20;7.&#x09;Whole-cell&#x20;production&#x20;of&#x20;α,ω-dodecanediol&#x20;from&#x20;different&#x20;concentrations&#x20;of&#x20;1-dodecanol&#x09;３６&#x0A;&#x20;&#x20;8.&#x09;Whole-cell&#x20;biotransformation&#x20;of&#x20;dodecane&#x20;to&#x20;1-dodecanol&#x20;and&#x20;α,ω-dodecanediol&#x09;３９&#x0A;&#x20;E.&#x09;Conclusion&#x09;４１&#x0A;Chapter&#x20;Ⅱ.&#x20;Structure-guided&#x20;engineering&#x20;of&#x20;CYP153A33&#x20;for&#x20;the&#x20;control&#x20;of&#x20;its&#x20;over-oxidation&#x20;activity&#x20;on&#x20;aliphatic&#x20;substrate&#x09;４２&#x0A;&#x20;A.&#x09;Abstract&#x09;４３&#x0A;&#x20;B.&#x09;Introductiion&#x09;４４&#x0A;&#x20;C.&#x09;Materials&#x20;and&#x20;Methods&#x09;４８&#x0A;&#x20;&#x20;1.&#x09;Chemical&#x20;reagents&#x20;and&#x20;media&#x09;４８&#x0A;&#x20;&#x20;2.&#x09;Site-directed&#x20;mutagenesis&#x20;of&#x20;CYP153A33&#x20;and&#x20;construction&#x20;of&#x20;expression&#x20;system&#x20;in&#x20;E.&#x20;coli&#x09;４８&#x0A;&#x20;&#x20;3.&#x09;Enzyme&#x20;expression&#x20;and&#x20;whole-cell&#x20;reaction&#x20;of&#x20;primary&#x20;fatty&#x20;alcohols&#x20;by&#x20;using&#x20;recombinant&#x20;E.&#x20;coli&#x20;49&#x0A;&#x20;&#x20;4.&#x09;Gas&#x20;chromatography&#x20;analysis&#x09;４９&#x0A;&#x20;&#x20;5.&#x09;Structural&#x20;analysis&#x20;of&#x20;enzyme-substrate&#x20;docking&#x20;simulation&#x09;５０&#x0A;&#x20;D.&#x09;Results&#x20;and&#x20;Discussion&#x09;５１&#x0A;&#x20;&#x20;1.&#x09;Determination&#x20;of&#x20;the&#x20;conversion&#x20;rate&#x20;of&#x20;continuous&#x20;α-&#x20;and&#x20;ω-oxidation&#x20;of&#x20;fatty&#x20;substrates&#x20;via&#x20;whole-cell&#x20;transformation&#x20;in&#x20;E.&#x20;coli&#x09;５１&#x0A;&#x20;&#x20;2.&#x09;Structure-based&#x20;analysis&#x20;of&#x20;a&#x20;1-dodecanol&#x20;substrate&#x20;docked&#x20;model&#x09;５４&#x0A;&#x20;&#x20;3.&#x09;Geometry&#x20;of&#x20;1-dodecanol&#x20;substrate-binding&#x20;pocket&#x20;and&#x20;selection&#x20;of&#x20;key&#x20;enzyme&#x20;residues&#x09;６１&#x0A;&#x20;&#x20;4.&#x09;Site-directed&#x20;mutagenesis&#x20;of&#x20;CYP153A33&#x20;and&#x20;whole-cell&#x20;transformation&#x20;of&#x20;1-dodecanol&#x20;using&#x20;the&#x20;CYP153A33&#x20;mutant&#x09;６６&#x0A;&#x20;&#x20;5.&#x09;Evaluation&#x20;of&#x20;the&#x20;substrate&#x20;specificity&#x20;of&#x20;CYP153A33&#x20;P136A&#x20;against&#x20;medium-&#x20;and&#x20;long-chain&#x20;fatty&#x20;alkanols&#x09;７３&#x0A;&#x20;E.&#x09;Conclusion&#x09;８１&#x0A;Chapter&#x20;Ⅲ.&#x20;Hydroxylation&#x20;of&#x20;an&#x20;aromatic&#x20;substrate&#x20;(indole)&#x20;via&#x20;whole-cell&#x20;biocatalysis&#x20;of&#x20;CYP102G4&#x20;monooxygenase&#x20;and&#x20;synthesis&#x20;of&#x20;novel&#x20;melanin-based&#x20;biopolymer&#x09;８３&#x0A;&#x20;A.&#x09;Abstract&#x09;８４&#x0A;&#x20;B.&#x09;Introduction&#x09;８５&#x0A;&#x20;C.&#x09;Materials&#x20;and&#x20;Methods&#x09;８８&#x0A;&#x20;&#x20;1.&#x09;Chemical&#x20;and&#x20;reagents&#x09;８８&#x0A;&#x20;&#x20;2.&#x09;Cloning&#x20;and&#x20;expression&#x20;of&#x20;melC&#x20;and&#x20;cyp102G4&#x09;８８&#x0A;&#x20;&#x20;3.&#x09;Whole-cell&#x20;production&#x20;of&#x20;different&#x20;melanins&#x20;(Tyr-Melanin,&#x20;CYP-Melanin,&#x20;and&#x20;Sglu-Melanin)&#x09;８８&#x0A;&#x20;&#x20;4.&#x09;Quantitative&#x20;and&#x20;qualitative&#x20;analysis&#x20;of&#x20;CYP-Melanin&#x09;８９&#x0A;&#x20;&#x20;5.&#x09;Surface&#x20;characterization&#x20;of&#x20;CYP-Melanin&#x09;８９&#x0A;&#x20;&#x20;6.&#x09;FT-ICR&#x20;MS&#x20;analysis&#x20;and&#x20;elemental&#x20;composition&#x20;assignments&#x09;９０&#x0A;&#x20;&#x20;7.&#x09;HEMA&#x20;polymerization&#x20;for&#x20;synthetic&#x20;melanin&#x20;dyeing&#x09;９１&#x0A;&#x20;&#x20;8.&#x09;Electrochemical&#x20;properties&#x20;of&#x20;CYP-Melanin&#x09;９１&#x0A;&#x20;D.&#x09;Results&#x20;and&#x20;Discussion&#x09;９３&#x0A;&#x20;&#x20;1.&#x09;MelC&#x20;tyrosinase&#x20;and&#x20;CYP102G4&#x20;monooxygenase&#x20;enzymes&#x09;９３&#x0A;&#x20;&#x20;2.&#x09;Whole-cell&#x20;bioproduction&#x20;of&#x20;the&#x20;novel&#x20;CYP-Melanin&#x20;and&#x20;dyeing&#x20;performance&#x20;of&#x20;CYP-melanin&#x20;pigment&#x09;９８&#x0A;&#x20;&#x20;3.&#x09;Isotherm&#x20;analysis&#x20;of&#x20;CYP-Melanin&#x09;１０２&#x0A;&#x20;&#x20;4.&#x09;Chemical&#x20;and&#x20;molecular&#x20;composition&#x20;analysis&#x20;of&#x20;CYP-Melanin&#x20;using&#x20;FT-IR&#x20;and&#x20;15&#x20;T&#x20;FT-ICR&#x20;mass&#x20;spectrometry&#x09;１０６&#x0A;&#x20;&#x20;5.&#x09;Electrochemical&#x20;properties&#x20;of&#x20;synthesized&#x20;CYP-Melanin&#x09;１１２&#x0A;&#x20;E.&#x09;Conclusion&#x09;１１６&#x0A;Chapter&#x20;Ⅳ.&#x20;Overall&#x20;conclusion&#x20;and&#x20;discussion&#x09;１１７&#x0A;References&#x09;１２２</dcvalue>
  <dcvalue element="language" qualifier="iso">eng</dcvalue>
  <dcvalue element="publisher" qualifier="none">The&#x20;Graduate&#x20;School,&#x20;Ajou&#x20;University</dcvalue>
  <dcvalue element="rights" qualifier="none">아주대학교&#x20;논문은&#x20;저작권에&#x20;의해&#x20;보호받습니다.</dcvalue>
  <dcvalue element="title" qualifier="none">Cytochrome&#x20;P450&#x20;monooxygenase-mediated&#x20;synthesis&#x20;of&#x20;α,ω-diol&#x20;monomer&#x20;and&#x20;aromatic&#x20;biopolymer</dcvalue>
  <dcvalue element="title" qualifier="alternative">CYP&#x20;효소를&#x20;활용한&#x20;α,ω-다이올&#x20;단량체&#x20;및&#x20;방향족&#x20;바이오&#x20;폴리머의&#x20;생합성</dcvalue>
  <dcvalue element="type" qualifier="none">Thesis</dcvalue>
  <dcvalue element="contributor" qualifier="affiliation">아주대학교&#x20;일반대학원</dcvalue>
  <dcvalue element="contributor" qualifier="department">일반대학원&#x20;환경공학과</dcvalue>
  <dcvalue element="date" qualifier="awarded">2022.&#x20;8</dcvalue>
  <dcvalue element="description" qualifier="degree">Doctoral</dcvalue>
  <dcvalue element="identifier" qualifier="uci">I804:41038-000000032247</dcvalue>
  <dcvalue element="identifier" qualifier="url">https:&#x2F;&#x2F;dcoll.ajou.ac.kr&#x2F;dcollection&#x2F;common&#x2F;orgView&#x2F;000000032247</dcvalue>
  <dcvalue element="subject" qualifier="keyword">biomonomer</dcvalue>
  <dcvalue element="subject" qualifier="keyword">biopolymer</dcvalue>
  <dcvalue element="subject" qualifier="keyword">cytochrome&#x20;P450&#x20;(CYP)</dcvalue>
  <dcvalue element="subject" qualifier="keyword">dodecanediol</dcvalue>
  <dcvalue element="subject" qualifier="keyword">melanin</dcvalue>
  <dcvalue element="subject" qualifier="keyword">regiospecific&#x20;hydroxylation</dcvalue>
  <dcvalue element="description" qualifier="alternativeAbstract">Cytochrome&#x20;P450&#x20;(CYP)&#x20;monooxygenases&#x20;can&#x20;be&#x20;used&#x20;as&#x20;biocatalysts&#x20;for&#x20;the&#x20;hydroxylation&#x20;of&#x20;hydrocarbon&#x20;C-H&#x20;bonds&#x20;due&#x20;to&#x20;their&#x20;advantages&#x20;over&#x20;chemical&#x20;catalysts,&#x20;such&#x20;as&#x20;regio&#x20;and&#x20;stereoselective&#x20;activity.&#x20;My&#x20;PhD&#x20;thesis&#x20;focused&#x20;on&#x20;the&#x20;engineering&#x20;and&#x20;utilizing&#x20;of&#x20;CYP&#x20;enzymes&#x20;for&#x20;the&#x20;biosynthesis&#x20;of&#x20;building&#x20;blocks&#x20;used&#x20;in&#x20;high-performance&#x20;biopolymers.&#x20;In&#x20;detail,&#x20;CYPs&#x20;were&#x20;screened&#x20;and&#x20;engineered&#x20;for&#x20;regiospecific&#x20;hydroxylation&#x20;on&#x20;aliphatic&#x20;substrates&#x20;(dodecane&#x20;and&#x20;1-dodecanol)&#x20;for&#x20;the&#x20;synthesis&#x20;of&#x20;α,ω-dodecanediol&#x20;and&#x20;an&#x20;aromatic&#x20;compound&#x20;(indole)&#x20;for&#x20;the&#x20;synthesis&#x20;of&#x20;novel&#x20;melanin&#x20;biopolymers.&#x20;&#x0A;The&#x20;first&#x20;target&#x20;compound&#x20;I&#x20;investigated,&#x20;α,ω-dodecanediol,&#x20;is&#x20;a&#x20;versatile&#x20;material&#x20;used&#x20;in&#x20;the&#x20;bioplastics&#x20;industry.&#x20;It&#x20;is&#x20;widely&#x20;used&#x20;as&#x20;a&#x20;monomer&#x20;of&#x20;polyester&#x20;and&#x20;polyurethan,&#x20;with&#x20;its&#x20;production&#x20;depending&#x20;on&#x20;chemical&#x20;processes.&#x20;I&#x20;investigated&#x20;a&#x20;new&#x20;bioprocess,&#x20;CYP-dependent&#x20;whole-cell&#x20;biotransformation,&#x20;for&#x20;use&#x20;in&#x20;the&#x20;“membrane&#x20;protein-CYP-redox&#x20;protein”&#x20;expression&#x20;system.&#x20;To&#x20;that&#x20;end,&#x20;Escherichia&#x20;coli&#x20;cells&#x20;over-expressing&#x20;CYP153A33&#x20;from&#x20;Marinobacter&#x20;aquaeolei&#x20;VT8&#x20;and&#x20;Nfa22290&#x20;from&#x20;Nocardia&#x20;farcinica&#x20;IFM10152&#x20;(NFA)&#x20;in&#x20;combination&#x20;with&#x20;the&#x20;putida&#x20;ferredoxin&#x20;reductase&#x20;and&#x20;ferredoxin&#x20;(CamA&#x2F;B)&#x20;redox&#x20;system&#x20;from&#x20;Pseudomonas&#x20;putida&#x20;and&#x20;FadL,&#x20;a&#x20;long-chain&#x20;fatty&#x20;acid&#x20;transporter,&#x20;were&#x20;examined&#x20;for&#x20;dodecane&#x20;and&#x20;1-dodecanol&#x20;whole-cell&#x20;biotransformation,&#x20;respectively.&#x20;Whole-cell&#x20;biotransformation&#x20;of&#x20;1-dodecanol&#x20;and&#x20;dodecane&#x20;into&#x20;α,ω-dodecanediol&#x20;was&#x20;successfully&#x20;performed&#x20;in&#x20;these&#x20;systems,&#x20;but&#x20;the&#x20;conversion&#x20;yield&#x20;amounted&#x20;to&#x20;only&#x20;about&#x20;23%,&#x20;and&#x20;dodecanoic&#x20;acid&#x20;accounted&#x20;for&#x20;about&#x20;10%&#x20;of&#x20;the&#x20;products.&#x20;I&#x20;addressed&#x20;this&#x20;limitation&#x20;by&#x20;performing&#x20;a&#x20;site-directed&#x20;mutagenesis&#x20;of&#x20;CYP153A33.&#x20;The&#x20;enzyme&#x20;structure&#x20;of&#x20;CYP153A33&#x20;was&#x20;analyzed&#x20;based&#x20;on&#x20;the&#x20;model&#x20;derived&#x20;from&#x20;the&#x20;CYP153A33-dodecanol&#x20;docking&#x20;simulation.&#x20;Previous&#x20;studies&#x20;related&#x20;to&#x20;CYP153A33&#x20;enzyme&#x20;structural&#x20;mutation&#x20;have&#x20;focused&#x20;on&#x20;the&#x20;active&#x20;site&#x20;of&#x20;hydroxylation&#x20;that&#x20;binds&#x20;to&#x20;a&#x20;substrate,&#x20;whereas&#x20;my&#x20;work&#x20;focused&#x20;on&#x20;the&#x20;mechanism&#x20;underlying&#x20;the&#x20;flow&#x20;of&#x20;the&#x20;substrate&#x20;into&#x20;the&#x20;active&#x20;site&#x20;of&#x20;the&#x20;enzyme.&#x20;A&#x20;structural&#x20;analysis&#x20;showed&#x20;that&#x20;the&#x20;loop&#x20;on&#x20;the&#x20;enzyme&#x20;surface&#x20;can&#x20;affect&#x20;the&#x20;influx&#x20;of&#x20;a&#x20;substrate.&#x20;Among&#x20;the&#x20;peptide&#x20;bonds&#x20;constituting&#x20;the&#x20;loop,&#x20;the&#x20;continuous&#x20;structure&#x20;of&#x20;proline&#x20;135-proline&#x20;136&#x20;was&#x20;located&#x20;at&#x20;the&#x20;core&#x20;of&#x20;the&#x20;substrate&#x20;inflow&#x20;path.&#x20;The&#x20;rigidity&#x20;induced&#x20;by&#x20;the&#x20;structure&#x20;was&#x20;reduced&#x20;by&#x20;replacing&#x20;proline&#x20;136&#x20;with&#x20;alanine,&#x20;to&#x20;facilitate&#x20;substrate&#x20;influx.&#x20;As&#x20;a&#x20;result,&#x20;the&#x20;bioconversion&#x20;rate&#x20;of&#x20;1-dodecanol&#x20;increased&#x20;more&#x20;than&#x20;threefold&#x20;to&#x20;about&#x20;71%,&#x20;and&#x20;the&#x20;proportion&#x20;of&#x20;dodecanoic&#x20;acid&#x20;decreased&#x20;to&#x20;less&#x20;than&#x20;1%,&#x20;thereby&#x20;increasing&#x20;the&#x20;utility&#x20;of&#x20;CYP153A33.&#x0A;The&#x20;second&#x20;target&#x20;compound&#x20;I&#x20;investigated,&#x20;Tyr-melanin,&#x20;is&#x20;a&#x20;biopolymer&#x20;that&#x20;can&#x20;be&#x20;fully&#x20;synthesized&#x20;from&#x20;the&#x20;amino&#x20;acid&#x20;L-tyrosine&#x20;by&#x20;tyrosinase.&#x20;Tyr-melanin&#x20;is&#x20;a&#x20;randomly&#x20;polymerized&#x20;form&#x20;of&#x20;dopachrome&#x20;derivative&#x20;monomers&#x20;converted&#x20;from&#x20;tyrosine&#x20;as&#x20;a&#x20;starting&#x20;material.&#x20;Because&#x20;it&#x20;has&#x20;a&#x20;conjugation&#x20;structure&#x20;and&#x20;a&#x20;dark&#x20;brown&#x20;color,&#x20;it&#x20;can&#x20;transfer&#x20;electrons&#x20;and&#x20;thus&#x20;serve&#x20;as&#x20;organic&#x20;semiconductor&#x20;material,&#x20;black&#x20;organic&#x20;pigment,&#x20;and&#x20;UV-blocking&#x20;material.&#x20;Because&#x20;it&#x20;is&#x20;randomly&#x20;polymerized,&#x20;the&#x20;exact&#x20;structure&#x20;of&#x20;the&#x20;polymer&#x20;is&#x20;not&#x20;known,&#x20;but&#x20;its&#x20;application&#x20;potential&#x20;can&#x20;be&#x20;expanded&#x20;by&#x20;changing&#x20;its&#x20;monomer&#x20;composition.&#x20;Here,&#x20;I&#x20;synthesized&#x20;a&#x20;novel&#x20;melanin&#x20;compound,&#x20;with&#x20;physical&#x20;properties&#x20;that&#x20;differ&#x20;from&#x20;those&#x20;of&#x20;existing&#x20;melanin,&#x20;by&#x20;including&#x20;an&#x20;indoxyl&#x20;derivative&#x20;converted&#x20;from&#x20;L-tryptophan&#x20;as&#x20;a&#x20;monomer.&#x20;CYP102G4,&#x20;a&#x20;CYP&#x20;enzyme&#x20;that&#x20;regiospecifically&#x20;hydroxylates&#x20;a&#x20;carbon-3&#x20;of&#x20;indole,&#x20;was&#x20;used.&#x20;The&#x20;indole&#x20;derivative&#x20;was&#x20;expected&#x20;to&#x20;be&#x20;integrated&#x20;in&#x20;melanin&#x20;as&#x20;a&#x20;monomer&#x20;by&#x20;tyrosinase&#x20;polymerization.&#x20;The&#x20;newly&#x20;employed&#x20;CYP102G4&#x20;enzyme&#x20;and&#x20;the&#x20;existing&#x20;Tyr-melanin&#x20;synthesis&#x20;biocatalyst,&#x20;tyrosinase,&#x20;were&#x20;co-expressed&#x20;to&#x20;construct&#x20;a&#x20;new&#x20;melanin&#x20;synthesis&#x20;pathway&#x20;in&#x20;E.&#x20;coli,&#x20;and&#x20;novel&#x20;CYP-melanin&#x20;was&#x20;biosynthesized.&#x20;The&#x20;CYP-melanin&#x20;with&#x20;a&#x20;dark&#x20;color&#x20;close&#x20;to&#x20;black&#x20;was&#x20;synthesized&#x20;and&#x20;comparted&#x20;to&#x20;Tyr-melanin.&#x20;Melanin&#x20;production&#x20;increased&#x20;significantly&#x20;from&#x20;several&#x20;100&#x20;mg&#x2F;L&#x20;to&#x20;more&#x20;than&#x20;3&#x20;g&#x2F;L,&#x20;and&#x20;although&#x20;its&#x20;porosity&#x20;was&#x20;not&#x20;high&#x20;and&#x20;the&#x20;surface&#x20;area&#x20;was&#x20;not&#x20;large,&#x20;CYP-melanin&#x20;could&#x20;possibly&#x20;be&#x20;used&#x20;as&#x20;electrode&#x20;material.&#x20;In&#x20;addition,&#x20;a&#x20;FT-ICR&#x20;analysis&#x20;showed&#x20;that&#x20;CYP-melanin&#x20;contained&#x20;more&#x20;sulfur&#x20;than&#x20;Tyr-melanin.&#x0A;Taken&#x20;together,&#x20;this&#x20;study&#x20;expanded&#x20;the&#x20;application&#x20;of&#x20;CYPs&#x20;by&#x20;utilizing&#x20;the&#x20;enzyme&#x20;for&#x20;the&#x20;biosynthesis&#x20;of&#x20;diol&#x20;monomers&#x20;and&#x20;novel&#x20;melanin&#x20;polymers.&#x20;In&#x20;addition,&#x20;it&#x20;is&#x20;significant&#x20;that&#x20;it&#x20;provided&#x20;an&#x20;academic&#x20;basis&#x20;for&#x20;the&#x20;application&#x20;and&#x20;improvement&#x20;of&#x20;CYPs&#x20;by&#x20;increasing&#x20;site-specific&#x20;hydroxylation&#x20;activity&#x20;through&#x20;improvement&#x20;based&#x20;on&#x20;the&#x20;structure&#x20;and&#x20;substrate&#x20;binding&#x20;mechanism&#x20;of&#x20;the&#x20;CYPs.&#x0A;&#x0A;Keywords:&#x20;cytochrome&#x20;P450&#x20;(CYP),&#x20;regiospecific&#x20;hydroxylation,&#x20;biomonomer,&#x20;biopolymer,&#x20;dodecanediol,&#x20;melanin</dcvalue>
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