JC
Janine Copp
Author with expertise in Metabolic Engineering and Synthetic Biology
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The Hidden Biocatalytic Potential of the Old Yellow Enzyme Family

David White et al.Jul 11, 2023
Abstract The rapid advancement of sequencing technology has created an immense reservoir of protein sequence-function information that has yet to be fully utilized for fundamental or biocatalytic applications. For example, ene reductases from the ‘old yellow enzyme’ (OYE) family catalyze the asymmetric hydrogenation of activated alkenes with enhanced stereoselectivity - key transformations for sustainable production of pharmaceutical and industrial synthons. Despite the proven biocatalytic application, the OYE family remains relatively underexplored with only 0.1% of identified members having any experimental characterization. Here, a platform of integrated bioinformatics and synthetic biology techniques was employed to systematically organize and screen the natural diversity of the OYE family. Using protein similarity networks, the known and unknown regions of the >115,000 members of the OYE family were broadly explored to identify phylogenetic and sequence-based trends. From this analysis, 118 novel enzymes were characterized across the family to broadly explore and expand the biocatalytic performance and substrate scope of known OYEs. Over a dozen novel enzymes were identified exhibiting enhanced catalytic activity or altered stereospecificity. Beyond well-established ene reduction, we detected widespread occurrence of oxidative chemistry amongst OYE family members at ambient conditions. Crystallography studies of selected OYEs yielded structures for two enzymes, contributing to a better understanding of their unique performance. Their structures revealed an unusual loop conformation within a novel OYE subclass. Overall, our study significantly expands the known functional and chemical diversity of OYEs while identifying superior biocatalysts for asymmetric reduction and oxidation.
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Mechanistic understanding enables the rational design of salicylanilide combination therapies for Gram-negative infections

Janine Copp et al.Apr 25, 2020
Abstract One avenue to combat multidrug-resistant Gram-negative bacteria is the co-administration of multiple drugs (combination therapy), which can be particularly promising if drugs synergize. The identification of synergistic drug combinations, however, is challenging. Detailed understanding of antibiotic mechanisms can address this issue by facilitating the rational design of improved combination therapies. Here, using diverse biochemical and genetic assays, we reveal the molecular mechanisms of niclosamide, a clinically-approved salicylanilide compound, and demonstrate its potential for Gram-negative combination therapies. We discovered that Gram-negative bacteria possess two innate resistance mechanisms that reduce their niclosamide susceptibility: a primary mechanism mediated by multidrug efflux pumps and a secondary mechanism of nitroreduction. When efflux was compromised, niclosamide became a potent antibiotic, dissipating the proton motive force (PMF), increasing oxidative stress and reducing ATP production to cause cell death. These insights guided the identification of diverse compounds that synergized with salicylanilides when co-administered (efflux inhibitors, membrane permeabilizers, and antibiotics that are expelled by PMF-dependent efflux), thus suggesting that salicylanilide compounds may have broad utility in combination therapies. We validate these findings in vivo using a murine abscess model, where we show that niclosamide synergizes with the membrane permeabilizing antibiotic colistin against high-density infections of multidrug-resistant Gram-negative clinical isolates. We further demonstrate that enhanced nitroreductase activity is a potential route to adaptive niclosamide resistance but show that this causes collateral susceptibility to clinical nitro-prodrug antibiotics. Thus, we highlight how mechanistic understanding of mode of action, innate/adaptive resistance, and synergy can rationally guide the discovery, development and stewardship of novel combination therapies. Importance There is a critical need for more effective treatments to combat multidrug-resistant Gram-negative infections. Combination therapies are a promising strategy, especially when these enable existing clinical drugs to be repurposed as antibiotics. We reveal the mechanisms of action and basis of innate Gram-negative resistance for the anthelmintic drug niclosamide, and subsequently exploit this information to demonstrate that niclosamide and analogs kill Gram-negative bacteria when combined with antibiotics that inhibit drug efflux or permeabilize membranes. We confirm the synergistic potential of niclosamide in vitro against a diverse range of recalcitrant Gram-negative clinical isolates, and in vivo in a mouse abscess model. We also demonstrate that nitroreductases can confer resistance to niclosamide, but show that evolution of these enzymes for enhanced niclosamide resistance confers a collateral sensitivity to other clinical antibiotics. Our results highlight how detailed mechanistic understanding can accelerate the evaluation and implementation of new combination therapies.
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A giant leap in sequence space reveals the intracellular complexities of evolving a new function

Kelsi Hall et al.May 30, 2020
Abstract Selection for a promiscuous enzyme activity provides substantial opportunity for competition between endogenous and new substrates to influence the evolutionary trajectory, an aspect that has generally been overlooked in laboratory directed evolution studies. We evolved the Escherichia coli nitro/quinone reductase NfsA to detoxify chloramphenicol by randomising eight active site residues simultaneously and interrogating ∼250,000,000 reconfigured NfsA variants. Analysis of every possible evolutionary intermediate of the two best chloramphenicol reductases revealed complex epistatic interactions that restrict each hypothetical trajectory. In both cases, improved chloramphenicol detoxification was only possible after one essential substitution had eliminated activity with endogenous quinone substrates. Unlike the predominantly weak trade-offs seen in previous experimental studies, this substrate incompatibility suggests endogenous metabolites have considerable potential to shape evolutionary outcomes. Unselected prodrug-converting activities were mostly unaffected, which emphasises the importance of negative selection to effect enzyme specialisation, and offers an application for the evolved genes as dual-purpose selectable/counter-selectable markers.
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A metagenomic library cloning strategy that promotes high-level expression of captured genes to enable efficient functional screening

Michelle Rich et al.Mar 25, 2023
Functional screening of environmental DNA (eDNA) libraries is a potentially powerful approach to discover enzymatic "unknown unknowns", but is usually heavily biased toward the tiny subset of genes preferentially transcribed and translated by the screening strain. We have overcome this by preparing an eDNA library via partial digest with restriction enzyme FatI (cuts CATG), causing a substantial proportion of ATG start codons to be precisely aligned with strong plasmid-encoded promoter and ribosome-binding sequences. Whereas we were unable to select nitroreductases from standard metagenome libraries, our FatI strategy yielded 21 nitroreductases spanning eight different enzyme families, each conferring resistance to the nitro-antibiotic niclosamide and sensitivity to the nitro-prodrug metronidazole. We showed expression could be improved by co-expressing rare tRNAs and encoded proteins purified directly using an embedded His6-tag. In a transgenic zebrafish model of metronidazole-mediated targeted cell ablation, our lead MhqN-family nitroreductase proved ~5-fold more effective than the canonical nitroreductase NfsB.