Electroreduction of carbon dioxide into higher-energy liquid fuels and chemicals is a promising but challenging renewable energy conversion technology. Among the electrocatalysts screened so far for carbon dioxide reduction, which includes metals, alloys, organometallics, layered materials and carbon nanostructures, only copper exhibits selectivity towards formation of hydrocarbons and multi-carbon oxygenates at fairly high efficiencies, whereas most others favour production of carbon monoxide or formate. Here we report that nanometre-size N-doped graphene quantum dots (NGQDs) catalyse the electrochemical reduction of carbon dioxide into multi-carbon hydrocarbons and oxygenates at high Faradaic efficiencies, high current densities and low overpotentials. The NGQDs show a high total Faradaic efficiency of carbon dioxide reduction of up to 90%, with selectivity for ethylene and ethanol conversions reaching 45%. The C2 and C3 product distribution and production rate for NGQD-catalysed carbon dioxide reduction is comparable to those obtained with copper nanoparticle-based electrocatalysts.

The era of inexpensive genome sequencing and improved bioinformatics tools has reenergized the study of natural products, including the ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides (RiPPs). In recent years, RiPP discovery has challenged preconceptions about the scope of post-translational modification chemistry, but genome mining of new RiPP classes remains an unsolved challenge. Here, we report a RiPP class defined by an unusual ( S )- N2 , N2 -dimethyl-1,2-propanediamine (Dmp)-modified C -terminus, which we term the daptides. Nearly 500 daptide biosynthetic gene clusters (BGCs) were identified by analyzing the RiPP Recognition Element (RRE), a common substrate-binding domain found in half of prokaryotic RiPP classes. A representative daptide BGC from Microbacterium paraoxydans DSM 15019 was selected for experimental characterization. Derived from a C -terminal threonine residue, the class-defining Dmp is installed over three steps by an oxidative decarboxylase, aminotransferase, and methyltransferase. Daptides uniquely harbor two positively charged termini, and thus we suspect this modification could aid in membrane targeting, as corroborated by hemolysis assays. Our studies further show that the oxidative decarboxylation step requires a functionally unannotated accessory protein. Fused to the C -terminus of the accessory protein is an RRE domain, which delivers the unmodified substrate peptide to the oxidative decarboxylase. This discovery of a class-defining post-translational modification in RiPPs may serve as a prototype for unveiling additional RiPP classes through genome mining.

Advances in genome sequencing and bioinformatics methods have identified myriad biosynthetic gene clusters (BGCs) encoding uncharacterized molecules. By examining genomic databases for BGCs containing a prevalent peptide-binding domain used for the biosynthesis of approximately half of ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides (RiPPs), we uncovered a new class involving modifications installed by a cytochrome P450, a multi-nuclear iron-dependent non-heme oxidative enzyme (MNIO, formerly DUF692), a cobalamin- and radical S-adenosyl-L-methionine-dependent enzyme (B12-rSAM), and a methyltransferase. The activity of each enzyme was reconstituted in vivo using Burkholderia sp. FERM BP-3421. Structural characterization demonstrated that the P450 catalyzed a biaryl C-C crosslink formation between two Tyr residues. The B12-rSAM generated β-methyltyrosine, while the MNIO transformed a C-terminal Asp residue into a C-terminal aminopyruvic acid. The methyltransferase acted on the β-carbon of the α-keto acid. Marfey9s method and exciton-coupled circular dichroism spectroscopy were used to elucidate the stereochemical configurations for the chiral carbons and the atropisomer that formed upon biaryl crosslinking. To the best of our knowledge, the MNIO featured in this biosynthetic pathway is the first to act on a non-Cys residue. Our study underscores that the pace of discovery of new macrocyclic peptides deriving from ribosomal peptides continues to accelerate and that RiPP BGCs remain a significant source of previously undiscovered enzyme chemistry.

Abstract Pyrroloiminoquinone containing natural products have long been known for their biological activities. They are derived from tryptophan, but their biosynthetic pathways have remained elusive. Studies on the biosynthetic gene cluster (BGC) that produces the ammosamides revealed that the first step is attachment of Trp to the C-terminus of a scaffold peptide in an ATP and tRNA dependent manner catalyzed by a PEptide Amino-acyl tRNA ligase (PEARL). The indole of the Trp is then oxidized to a hydroxyquinone. We previously proposed a chemically plausible and streamlined pathway for converting this intermediate to the ammosamides using additional enzymes encoded in the BGC. In this study, we report the activity of four additional enzymes that show that the proposed pathway is incorrect and that Nature’s route towards pyrroloiminoquinones is much more complicated. We demonstrate that, surprisingly, the amino groups in pyrroloiminoquinones are derived from three different sources, glycine, asparagine, and leucine, all introduced in a tRNA dependent manner. We also show that an FAD-dependent putative glycine oxidase is required for the process that incorporates the nitrogens from glycine and leucine, and that a quinone reductase is required for the incorporation of the asparagine. Additionally, we provide the first insights into the evolutionary origin of the PEARLs as well as related enzymes such as the glutamyl-tRNA dependent dehydratases involved in the biosynthesis of lanthipeptides and thiopeptides. These enzymes appear to all have descended from the ATP-GRASP protein family.

The domain of unknown function 692 (DUF692) is an emerging family of posttranslational modification enzymes involved in the biosynthesis of ribosomally-synthesized and posttranslationally modified peptide (RiPP) natural products. Members of this family are multinuclear iron-containing enzymes and only two members have been functionally characterized to date: MbnB and TglH. Here, we used bioinformatics to select another member of the DUF692 family, ChrH, that is ubiquitously encoded in the genomes of the Chryseobacterium genus along with a partner protein ChrI. We structurally characterized the ChrH reaction product and show that the enzyme catalyzes an unprecedented chemical transformation that results in the formation of a macrocycle, an imidazolidinedione heterocycle, two thioaminals, and a thiomethylation. Based on isotopic labeling studies, we propose a mechanism for the four-electron oxidation and methylation of the substrate peptide. This work identifies the first SAM-dependent DUF692 enzyme, further expanding the repertoire of remarkable reactions catalyzed by these enzymes.