Better than Nature: nicotinamide biomimetics that outperform natural ...

Supporting Information for: 

Better than Nature: nicotinamide biomimetics that outperform  natural coenzymes  Tanja Knaus,a,‡ Caroline E. Paul,b,‡ Colin W. Levy a, Simon de Vries,b Francesco G. Mutti a, Frank  Hollmann,*,b and Nigel S. Scrutton*,a  a 

BBSRC/EPSRC Centre for Synthetic Biology of Fine and Speciality Chemicals, Manchester Institute of  Biotechnology, Faculty of Life Sciences, 131 Princess Street, Manchester M1 7DN, United Kingdom,  [email protected] 

b

 Department of Biotechnology, Delft University of Technology, Julianalaan 136, 2628BL Delft (The Netherlands)  [email protected] 

 

Table of Contents  1. 

General information 



2. 

Synthesis of the nicotinamide coenzyme analogues (mNADHs, mNAD+s and tetrahydro‐mNADHs) 



2.1.  Reduction  of  mNADH  nicotinamide  biomimetics  to  1,4,5,6  tetrahydro‐mNADH  derivatives  2  (mNADH4s)  3. 

Expression and purification of the ERs 

16 

4. 

Determination of the molar extinction coefficient for mNADHs (1‐5) 

16 

5. 

Reductive half‐reaction 

18 

6.  Steady‐state kinetics for the conversion of 2‐cyclohexen‐1‐one by ERs using varied concentration of  coenzyme  23  6.1. 

Determination of the saturation concentration of substrate 2‐cyclohexen‐1‐one for ERs 

23 

6.2. 

Steady‐state kinetics 

24 

7. 

Biocatalytic transformations 

28 

7.1. 

Reaction conditions 

28 

7.2. 

Analytical methods 

28 

7.3. 

GC chromatograms 

28 

7.4. 

Enantiomeric excess of 6 reduced to (R)‐6a by various ERs with different coenzymes 

29 

8. 

mNAD+s recycling with the rhodium complex 

31 

9. 

X‐ray crystallography 

33 

9.1.  10. 

Data Collection and Refinement  Beyond the ER family: Enzymes that accept the biomimetic analogues 

34  35 

10.1.  non flavin‐dependent double bond reductase from Nicotiana tabacum 

35 

10.2.  NADPH‐dependent oxidase 

37 

11. 

38 

References 

   

  S1 

 

1. General information  All commercial reagents and solvents were purchased from Sigma‐Aldrich, Fluka, Acros Organics and Alfa  Aesar with the highest purity available and used as received. NMR spectra were recorded on a Bruker AV‐ 300 spectrometer at 300 (1H) and 75 (13C) MHz or on a Bruker Spectrospin 400 Ultrashield spectrometer.  Chemical  shifts  (δ)  are  reported  in  parts  per  million  (ppm)  relative  to  Me4Si  (δ  0.00)  using  deuterated  solvent (DMSO‐d6, D2O or CDCl3) as an internal standard. 

2. Synthesis  of  the  nicotinamide  coenzyme  analogues  (mNADHs,  mNAD+s  and  tetrahydro‐ mNADHs)  The mNADHs (1‐5) and mNAD+s (1‐5)a were synthesised and characterised as previously described.1 NMR  data  obtained  corresponded  to  the  previously  reported  characterisation.  Once  synthesised,  the  compounds were kept at ‐20 C for storage.  2.1. Reduction  of  mNADH  nicotinamide  biomimetics  to  1,4,5,6  tetrahydro‐mNADH  derivatives  (mNADH4s)  The aim was to generate a further reduced form of the reduced mNADHs (1‐5). The 1,4,5,6 tetrahydro‐ mNADHs (mNADH4 (1‐5)b) were synthesised to bind in the active site of the ERs generating a “dead‐end”  complex  which  should  be  suitable  for  crystallisation  and  structural  biochemical  characterisation.  The  general structure of the tetrahydro‐biomimetics is as follows:  O X N R

 

Synthesis of 1‐benzyl‐1,4,5,6‐tetrahydropyridine‐3‐carboxamide (1b) O

O NH2

N

H2 , 1 atm ethanol

1

NH2

Pd 10% on activated carbon N

1b

 

Pd  catalyst  on  carbon  (25  mg;  extent  of  labelling  10%  w  w‐1  loading  matrix  activated  carbon  support,  Sigma Cat. 20, 569.9) was added into a Schlenk tube containing dried ethanol (6 mL). Then, biomimetic 1  (100  mg,  0.467  mmol)  was  added  under  inert  atmosphere  (no  stirring).  The  solution  became  yellow. 

S2 

 

Finally, the Schlenk tube was evacuated and filled with hydrogen at atmospheric pressure. The reaction  was run for approximately 20 h. A small aliquot of the reaction mixture was analysed by GC‐MS as well as  TLC. After removal of the Pd/C, the solution was colourless, indicating that all the starting material was  reduced. The work‐up was performed by filtering over celite and extensive washing with methanol. The  clear solution was evaporated to afford a colourless oil (80 mg of crude product).  Judging from GC‐MS analysis, the conversion into the desired reduced biomimetic 1b was 50% whereas  the rest of the material were side‐products generated by further reduction and/or cleavage of 1b.  Therefore, the reaction was repeated as previously described using biomimetic 1 (100 mg) and Pd/C (25  mg) in dried ethanol (6 mL). The reaction time was shortened to 2h and 30 min to determine whether a  better  chemoselectivity  could  be  obtained.  Reducing  the  reaction  time  led  to  the  formation  of  higher  amounts of the desired product 1b. The composition of the product mixture (determined by GC‐MS) was:  82% of 1b, 13% of the fully reduced by‐product (i.e. 1‐benzylpiperidine‐3‐carboxamide) and 4% of cleaved  derivatives.  The  aliquots  of  the  crude  mixture  from  the  first  and  the  second  reaction  were  combined  and  purified  together by column chromatography on silica.  Conditions for column chromatography: Column diameter: 1 cm, Elution: CH2Cl2, 50 mL, fractions 1 – 7;  CH2Cl2 / CH3OH, 98:2, v v‐1, 50 mL, fractions 8 – 13; CH2Cl2 / CH3OH, 96:4, v v‐1, 50 mL, fractions 14 – 19;  CH2Cl2 / CH3OH, 94:6, v v‐1, 50 mL, fractions 20 – 25  1b was obtained as a yellow oil: m = 147 mg (0.680 mmol), total yield: 73%   

GC‐MS characterisation

 

O NH2 N

  S3 

 

NMR characterisation  1H‐NMR (CDCl , 400 MHz, δ (ppm), J (Hz)): 1.77 (2H, CH , m), 2.15 (2H, CH , t,  3J= 6.4 Hz), 2.89 (2H, CH , t,  3 2 2 2 3J= 5.6 Hz), 4.20 (2H, CH , s), 5.37 (2H, NH , broad), 7.12 – 7.15 (2H, CH aromatic, m), 7.20 – 7.27 (3H, CH,  2 2

aromatic).  13C‐NMR (CDCl

3, 400 MHz, δ (ppm): 19.1, 20.0, 43.6, 58.4, 94.2, 126.2, 126.3, 127.3, 135.7, 143.4, 169.7. 

1H‐NMR: 

   

 

S4 

 

13C‐NMR 

  DEPT‐135 

  S5 

 

Synthesis of 1‐butyl‐1,4,5,6‐tetrahydropyridine‐3‐carboxamide (2b) O

O NH2

N

NH2

Pd 10% on activated carbon H2, 1 atm ethanol

N

2

2b

 

Pd  catalyst  on  carbon  (30  mg;  extent  of  labelling  10%  w  w‐1  loading  matrix  activated  carbon  support,  Sigma Cat. 20, 569.9) was added into a Schlenk tube containing dried ethanol (6 mL). Then, biomimetic 2  (150 mg, 0.832 mmol) was added under inert atmosphere. Finally, the Schlenk tube was evacuated and  filled  with  hydrogen  at  atmospheric  pressure.  The  reaction  was  run  for  approximately  16  h.  A  small  aliquot of the reaction mixture was analysed by GC‐MS as well as TLC.   GC‐MS analysis showed that the “mono”‐reduced desired product 2b was formed with 31% conversion.  The remaining was the “double”‐reduced compound (i.e. 1‐butylpiperidine‐3‐carboxamide).  The  work‐up  was  performed  by  filtering  over  celite  and  extensive  washing  with  methanol.  The  clear  solution was evaporated to afford a colourless crude oil that was purified by column chromatography.  Conditions  for  column  chromatography:  The  crude  mixture  was  purified  by  column  chromatography  on  silica.  Column  diameter:  1  cm;  Elution:  CH2Cl2  /  CH3OH,  98:2,  v  v‐1,  200  mL,  fractions  1  –  24;  CH2Cl2  /  CH3OH, 95:5, v v‐1, 200 mL, fractions 25 – 48  A green oil was obtained. The amount of the product 2b was: m = 48 mg (0.2634 mmol), yield: 32%.     

 

S6 

 

GC‐MS characterisation:    O NH2 N

NMR characterisation   1H‐NMR (CDCl

3, 400 MHz, δ (ppm), J (Hz)): 0.84 (3H, CH3, 

3J= 7.2 Hz), 1.22 (2H, CH , m), 1.44 (2H, CH , m),  2 2

1.81 (2H, CH2, m), 2.15 (2H, CH2, 3J= 6.4 Hz), 3.02 (4H, CH2, m), 5.32 (2H, NH2, broad), 7.31 (1H, CH, s).   13C‐NMR (CDCl

3, 400 MHz, δ (ppm): 12.8, 18.8, 19.6, 20.5, 29.6, 44.3, 54.6, 93.2, 143.7, 170.0. 

 

 

 

S7 

 

1H‐NMR: 

  13C‐NMR: 

  S8 

 

13C‐DEPT135‐NMR: 

    Synthesis of 1‐(1‐benzyl‐1,4,5,6‐tetrahydropyridin‐3‐yl) ethanone (3b) O

O Pd 10% on activated carbon

N

H2 , 1 atm ethanol

N

3

3b  

Pd  catalyst  on  carbon  (30  mg;  extent  of  labelling  10%  w  w‐1  loading  matrix  activated  carbon  support,  Sigma Cat. 20, 569.9) was added into a Schlenk tube containing dried ethanol (6 mL). Then, biomimetic 3  (150 mg, 0.704 mmol) was added under inert atmosphere. Finally, the Schlenk tube was evacuated and  filled  with  hydrogen  at  atmospheric  pressure.  The  reaction  was  run  for  approximately  16  h.  A  small  aliquot of the reaction mixture was analysed by GC‐MS as well as TLC.   GC‐MS showed that the desired product 3b was formed with quantitative conversion (> 99%). Therefore,  in this case, the hydrogenation was completely chemo‐ and regioselective, even when the reaction time  was prolonged to 16 h.  S9 

 

The  work‐up  was  performed  by  filtering  over  celite  and  extensive  washing  with  methanol.  The  clear  solution was evaporated to afford a red oil (150 mg, 0.697 mmol). The total yield was 99%.  GC‐MS characterisation   O

N

   NMR characterisation  1H‐NMR (CDCl , 400 MHz, δ (ppm), J (Hz)): 1.71 (2H, CH ,m), 2.09 (3H, CH , s), 2.25 (2H, CH , t, 3J= 6.4 Hz),  3 2 3 2

2.97 (2H, CH2, t, 3J= 5.6 Hz), 4.28 (2H, CH2, s), 7.14 – 7.16 (2H, CH aromatic), 7.21 – 7.32 (3H, CH aromatic),  7.39 (1H, CH, s).  13C‐NMR (CDCl

3, 400 MHz, δ (ppm): 19.1, 22.0, 43.9, 58.2, 125.4, 126.1, 127.0, 134.6, 146.2, 191.5. 

   

 

S10 

 

1H‐NMR: 

  13C‐NMR: 

  S11 

 

13C‐DEP135‐NMR: 

  Synthesis of 1‐benzyl‐1,4,5,6‐tetrahydropyridine‐3‐carbonitrile (5b)  N

N Pd(OH)2 10 - 20% on activated charcoal

N

H2 , 1 atm EtOAc

5

N

5b

 

Pd(OH)2 (60 mg on activated charcoal, moistened with water, 10‐20% Pd basis based on dry substance;  Sigma  Cat.  76063‐5G)  was  added  into  a  Schlenk  tube  containing  dried  ethyl  acetate  (12  mL).  Then,  biomimetic  5  (150  mg,  0.764  mmol)  was  added  under  inert  atmosphere.  Finally,  the  Schlenk  tube  was  evacuated and filled with hydrogen at atmospheric pressure. The reaction was monitored over time (3 h –  6h – 9 h) by GC‐MS. The reaction was complete after 9 h, yielding the desired product 5b.   The work‐up was performed by filtering over celite and extensive washing with EtOAc. The clear solution  was evaporated to afford a red oil: m = 151 mg (0.761 mmol). The total yield was >99%.   

 

S12 

 

GC‐MS characterisation 

N

N

NMR characterisation   1H‐NMR (CDCl , 400 MHz, δ (ppm), J (Hz)): 1.73 (2H, CH ,m), 2.12 (2H, CH , t,  3J= 6.4 Hz), 2.93 (2H, CH , t,  3 2 2 2 3J= 5.6 Hz), 4.14 (2H, CH , s), 6.84 (1H, CH, s, broad), 7.11 – 7.13 (2H, CH aromatic), 7.21 – 7.31 (3H, CH  2

aromatic).  13C‐NMR (CDCl

 

3, 400 MHz, δ (ppm): 19.8, 20.8, 44.0, 58.5, 72.0, 122.5, 126.5, 127.0, 127.8, 135.4, 146.4. 

 

S13 

 

1H‐NMR: 

  13C‐NMR: 

 

S14 

 

  13C‐DEPT135‐NMR: 

   

 

S15 

 

3. Expression and purification of the ERs  All the enzymes used during this study were expressed and purified as described previously.2‐4  TsOYE was additionally purified by anion exchange chromatography using a HiPrepQ HP 16/10 column (GE  Healthcare). The heat‐shock purified protein was dissolved in start buffer (20 mM Tris/HCl, pH 8.0 buffer)  and  loaded  onto  the  column.  The  elution  of  the  protein  was  performed  with  a  gradient  between  start  buffer and elution buffer (20 mM Tris/HCl, 1M NaCl, pH 8.0 buffer).  All proteins were stored as concentrated stocks in 50 mM MOPS‐NaOH, pH 7.0 buffer, supplemented with  5 mM CaCl2 at ‐20 °C. 

  4. Determination of the molar extinction coefficient for mNADHs (1‐5)  24‐32 mg of mNADHs (1‐5) were dissolved in a certain amount of DMSO (600 µL for 1 and 2, 2.5 mL for 3  and 4 and 50 mL for 5) and filled up with buffer (50 mM MOPS‐NaOH, pH 7.0, supplemented with 5 mM  CaCl2) to 500 mL using a volumetric flask. Then, 4 dilutions were prepared by pipetting 5, 10, 20 and 40  mL in 100 mL volumetric flasks. UV‐vis absorbance spectra were recorded and the absorbance of selected  wavelengths was plotted against the concentration of the biomimetic‐solution. The slope of the linear fit  represents the molar extinction coefficient.   

A summary of the calculated molar extinction coefficients can be found in Table S1  Table S1. Calculated extinction coefficients for mNADHs (1‐5).  mNADH 

wavelength [nm] 

ε [M‐1∙cm‐1] 



360 

7254 



380 

4784 



395 

1965 



364 

6450 



390 

3277 



378 

10831 



409 

5264 



424 

1876 



283 

8988 



342 

5925 

  Figure S1 shows the UV‐vis absorbance spectra of the mNADHs (1‐5). 

S16 

 

  Figure S1. UV‐vis absorbance spectra of mNADHs (1‐5) at 4 different concentrations. The insets represent the  absorbance  at  the  peak‐maximum  plotted  against  the  biomimetic  concentration  for  obtaining  the  molar  extinction coefficient.   

 

 

S17 

 

5. Reductive half‐reaction  The  reductive  half‐reactions  between  ERs,  NAD(P)H  and  mNADHs  were  investigated  using  a  High‐Tech  stopped‐flow spectrophotometer (TgK Scientific Limited). The experiments were prepared and run under  anaerobic  conditions  in  N2‐environment  as  previously  described.  All  measurements  were  acquired  in  MOPS‐NaOH  buffer  (50  mM,  pH  7)  supplemented  with  CaCl2  (5  mM)  at  30  °C.  After  mixing  of  the  two  reactant solutions the enzyme concentration was between 8 and 10 µM. Measurements were taken with  various coenzyme concentrations (25 µM‐20 mM). The reduction of FMN was monitored continuously by  measuring  the  decrease  in  absorbance  at  the  corresponding  wavelength  (464  nm  for  PETNR  and  TOYE,  458  nm  for  XenA  and  457 nm  for  TsOYE).  Initial  rates  were  calculated  by  fitting  the  curves  with  Kinetic  Studio  (TgK  Scientific  Limited)  using  a  single  exponential  equation.  5‐6  Shots  were  made  for  each  experimental condition and reaction transients averaged.   The reductive half‐reaction was modelled as shown in (1)  (1) 

 

 

ER(ox) + NADPH

k1 k‐1

[ER(ox)

NAD(P)H]

kred k‐red

ER(red) + NAD(P)+

where ER(ox) is the enzyme bound flavin in its oxidised state, [ER(ox)—NAD(P)H] is the enzyme‐coenzyme  complex and ER(red) is the enzyme bound flavin in its reduced state upon immediate NAD(P)+ release after  the reduction process. The dissociation constant KD is therefore determined according to equation (2):  (2) 

 

 



 

  Figure S2 to  Figure S5  show the  hyperbolic  fits  for  the  reductive  half‐reaction of ERs with NAD(P)H  and  mNADHs.   

S18 

 

  Figure S2. Hyperbolic fit for the reductive half‐reaction of PETNR with NAD(P)H and mNADHs. 

 

S19 

 

  Figure S3. Hyperbolic fit for the reductive half‐reaction of TOYE with NAD(P)H and mNADHs. 

 

S20 

 

  Figure S4. Hyperbolic and linear fits for the reductive half‐reaction of XenA with NAD(P)H and mNADHs. 

   

S21 

 

  Figure S5. Hyperbolic and linear fits for the reductive half‐reaction of TsER with NAD(P)H and mNADHs. 

   

 

S22 

 

6. Steady‐state  kinetics  for  the  conversion  of  2‐cyclohexen‐1‐one  by  ERs  using  varied  concentration of coenzyme  6.1. Determination of the saturation concentration of substrate 2‐cyclohexen‐1‐one for ERs  The saturation concentration of the substrate 2‐cyclohexen‐1‐one for the ERs PETNR, TOYE and XenA was  determined by following the oxidation of NADPH (ε340 = 6220 M‐1∙cm‐1) under anaerobic conditions in N2‐ environment  at  30  °C  using  a  Varian  Cary  50  Bio  UV‐visible  spectrophotometer.  Measurements  were  carried  out  at  30  °C  in  50  mM  MOPS‐NaOH,  pH  7.0  buffer,  supplemented  with  5  mM  CaCl2.  Variable  concentrations of 2‐cyclohexen‐1‐one were added as a stock solution (500 mM, dissolved in DMSO) to a  fixed concentration of enzyme (100 nM), and the reaction was started by the addition of NADPH. The path  length of the  cuvette was chosen so that the initial absorbance was always below 1. The initial velocity  was calculated from the linear range of the fitted trend line of the progress curve and plotted against the  substrate concentration to obtain the kinetic parameter. Table S2 summarises the reaction conditions for  the assay.   Table S2. Kinetic assay for the determination of the saturation concentration of 2‐cyclohexen‐1‐one for ERs.  ER 

enzyme  [nM] 

substrate  [mM] 

NADPH  [µM] 

kcat  [sec‐1] 

KM  [mM] 

KI   [mM] 

conc. substrate employed  for steady state kinetics 

PETNR 

100 

0‐10 

250 

6.9 

1.8 

18.9 

5.5 mM 

TOYE 

100 

0‐45 

50 

9.8 

6.6 

‐ 

35 mM 

XenA 

100 

0‐2 

150 

24.6 

0.145 

23.1 

1.5 mM 

 

  Figure S6. Michaelis‐Menten plots for the determination of the saturation concentration of 2‐cyclohexen‐1‐one  for ERs.  S23 

 

6.2. Steady‐state kinetics  Steady‐state kinetic data for the conversion of 2‐cyclohexen‐1‐one by ERs using different coenzymes were  performed under anaerobic conditions in N2‐environment by continuously following the oxidation of the  reduced coenzymes on a Cary 50 Bio UV‐visible spectrophotometer (Varian) or on a Hi‐Tech stopped flow  device (TgK Scientific Limited). Measurements were carried out at 30 °C in 50 mM MOPS‐NaOH, pH 7.0  buffer, supplemented with 5 mM CaCl2. The reaction was started by the addition of varied concentrations  of  the  coenzyme  to  a  constant  concentration  of  substrate  which  was  determined  in  the  previous  experiment and enzyme. Initial rates were obtained from the slope of the fitted trend line from the linear  range of the progress curve. For spectrophotometric detection the path length of the cuvette (1 cm, 0.4  cm or 0.2 cm) as well as the wavelength for monitoring coenzyme oxidation were chosen and varied in a  way that the initial absorbance was always below 1. The extinction coefficients for the mNADHs (1‐5) used  for  calculating  kobs  and  KM  are  summarised  in  paragraph  4.  Due  to  an  overlap  between  the  UV‐vis  absorbance of mNADH 4 and 2‐cyclohexen‐1‐one the kinetic parameters for this coenzyme have not been  determined. The experimental conditions for the single enzyme‐coenzyme combinations are summarised  below:   

(I)  PETNR,  2‐cyclohexen‐1‐one  (5.5  mM,  added  as  a  1  M  DMSO  stock  solution):  spectrophotometric:  NADPH: PETNR (100 nM), NADPH (0‐1 mM), 340 nm. 1: PETNR (100 nM), 1 (0‐700 µM, added as 500 mM  stock solution in DMSO), 360 nm. 2: PETNR (100 nM), 2 (0‐700 µM, added as 500 mM stock solution in  DMSO), 364 nm. 3: PETNR (100 nM), 3 (0‐2.3 mM, added as 150 mM stock solution in DMSO), 409 or 424  nm. NADH: PETNR (450 nM), NADH (0‐2.6 mM), 340 nm.  (II) TOYE, 2‐cyclohexen‐1‐one (35 mM, added as a DMSO stock solution of 3.5 M): spectrophotometric: 2:  TOYE (100 nM), 2 (0‐1.2 mM, added as DMSO stock solution 500 mM), 390 nm. 1: TOYE (100 nM), 1 (0‐2.2  mM, added as DMSO stock solution 500 mM), 380 or 395 nm. 3: TOYE (100 nM), 3 (0‐2.3 mM, added as  DMSO  stock  solution  150  mM),  409  or  424  nm.  Stopped  flow  (concentrations  after  mixing  of  the  two  syringes): NADPH: TOYE (100 nM), NADPH (5‐60 µM), 340 nm. NADH: TOYE (500 nM), NADH (5‐70 µM),  340 nm.  (III)  XenA,  2‐cyclohexen‐1‐one  (1.5  mM,  added  as  a  DMSO  stock  solution  of  750  mM):  spectrophotometric:  NADH:  XenA  (250  nM),  NADH  (0‐2.6  mM),  340  nm.  Stopped  flow  (concentrations  after mixing of the two syringes): NADPH: XenA (100 nM), NADPH (7‐150 µM), 340 nm. 3: XenA (100 nM),  3 (5‐70 µM, added as a 150 mM DMSO stock solution), 378 nm. 1: XenA (100 nM), 1 (5‐120 µM, added as  a  150  mM  DMSO  stock  solution),  360  nm.  2:  XenA  (100  nM),  2  (7‐110  µM,  added  as  a  150  mM  DMSO  stock solution), 364 nm.   

S24 

 

  Figure  S7.  Steady‐state  kinetics  for  PETNR  with  a  fixed  concentration  of  2‐cyclohexen‐1‐one  (5.5  mM)  and  varied concentrations of NAD(P)H and mNADHs. 

 

 

S25 

 

  Figure S8. Steady‐state kinetics for TOYE with a fixed concentration of 2‐cyclohexen‐1‐one (35 mM) and varied  concentrations of NAD(P)H and mNADHs. 

 

S26 

 

  Figure S9. Steady‐state kinetics for XenA with a fixed concentration of 2‐cyclohexen‐1‐one (1.5 mM) and varied  concentrations of NAD(P)H and mNADHs. 

   

 

S27 

 

7. Biocatalytic transformations   7.1. Reaction conditions  Standard reactions  for  screening  of  the  ERs  with  ketoisophorone  6  were  performed  using  the  following  procedure: in a 2 mL microcentrifuge plastic tube, MOPS buffer (50 mM, pH 7) supplemented with CaCl2  (5  mM)  was  deoxygenized  and  ketoisophorone  (10  mM),  coenzyme  (11  mM),  enzyme  (3‐5  µM)  were  consecutively added, to a final volume of 1 mL. The reactions were run at 30 °C, 800 rpm, for 4 h unless  otherwise  stated.  Then,  the  product  was  extracted  with  EtOAc  (2  ×  500  µL),  dried  over  MgSO4  and  analysed by GC using a calibration curve, with 2 mM dodecane as an internal standard. Reactions with a  NAD(P)H recycling system were performed using GDH with the following concentrations: [NAD(P)H] = 20  μM, [glucose] = 30 mM, [GDH] = 20 U.   

7.2. Analytical methods   Data were analysed by GC with a flame ionization detector (FID) using a Chirasil Dex CB column (Agilent,  25 m × 0.32 mm × 0.25 µm); 250 °C injection, split ratio: 50, linear velocity: 25.4 cm/s.  Temperature program: 80 °C hold 2 min; 5 °C/min to 90 °C hold 2 min; 5 °C/min to 100 °C hold 2 min; 5  °C/min to 110 °C hold 2 min; 5 °C/min to 120 °C hold 2 min; 40 °C/min to 200 °C hold 2 min.  Retention times: 

ketoisophorone 6  15.6 min 

 

levodione 6a  

 

 

16.9 min (R), 17.3 min (S) 

 

7.3. GC chromatograms  rac‐Levodione   0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 -0.2 15.00

15.25

15.50

15.75

16.00

16.25

16.50

16.75

17.00

17.25

16.00

16.25

16.50

16.75

17.00

17.25

17.50

17.75

18.00

18.25

18.50

18.75

min

 

(R)‐Levodione  0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 -0.05 15.00

15.25

15.50

15.75

17.50

17.75

18.00

18.25

18.50

18.75

min

 

S28 

 

7.4. Enantiomeric excess of 6 reduced to (R)‐6a by various ERs with different coenzymes  The following table shows the enantiomeric excess for the conversion of ketoisophorone 6 to levodione  (R)‐6a using 12 different ERs. The table with conversions can be found in the main paper (Table 3).  Discussion of the results from biotransformations 

The applicability of the mNAD biomimetics in organic synthesis as inexpensive alternatives to natural  nicotinamide  coenzymes  was evaluated  for the  asymmetric reduction of  an  activated  alkene  as the  test  substrate. An extended panel  of  12 ERs from  the OYE family (PETNR, TOYE,  OYE2, OYE3, XenA,  XenB,  LeOPR1,  NerA,  MR,  TsOYE,  DrOYE  and  RmOYE)  was  employed  for  the  conversion  of  ketoisophorone 6 to levodione (R)‐6a (see Table 3, main paper).   The  results  of  the  screening  showed  that  the  biomimetics  were  overall  well  accepted,  the  only  exception being biomimetic 5. This finding is in line with the kinetic parameters previously described  in Table 1Error! Reference source not found. and Table 2 (see main paper). The mNADH 5 stands out  because it lacks the oxygen atom of the carbonyl moiety that may form a hydrogen bond with other  residues within the enzyme pocket.  Nevertheless, a conversion of 80% was still obtained with XenA  suggesting that this ER might use a different binding mode for the coenzyme biomimetic.  The  biomimetics  1‐4  gave  conversions  up  to  >99%.  Among  the  others,  TsOYE,  DrOYE  and  RmOYE  afforded  >99%  conversion  for  the  alkene  reduction  employing  at  least  2  biomimetics  out  of  5.  We  note  that  the  conversions  for  alkene  reduction  catalysed  by  PETNR  with  biomimetic  3  (98%),  TOYE  with biomimetic 1 (90%), TsOYE with biomimetics 1‐4 (>99%), DrOYE with biomimetic 1‐4 (98 ‐ >99%)  and  RmOYE  with  biomimetic  1,4  (>99%)  were  equal  or  superseded  the  conversions  for  the  same  reactions using stoichiometric amounts of the natural coenzyme (i.e. 93% for PETNR, 56% for TOYE,  >99% for TsOYE, 64% for DrOYE and 63% for RmOYE). In general, a minimum of 59% conversion was  obtained with most of the ERs tested. The exceptions were the reductions catalysed by OYE2, OYE3  and MR, that generally afforded poor conversions (99 

n.d. 

NADH 

79 

n.d. 



21 







0.5 



18 





n.d. 

n.d. 







n.d. not detectable   

Kinetic parameter for the conversion of cinnamaldehyde by NtDBR using NAD(P)H and mimics 1 and 3 Steady‐state kinetic data for the conversion of cinnamaldehyde by NtDBR using NADPH as coenzyme were  performed  spectrophotometrically  at  30  °C  in  KPi  buffer  (50  mM,  pH  7.5)  by  following  the  NADPH  oxidation at 365 nm (ε = 3256 M‐1 cm‐1). The reaction was started by the addition of varied concentrations  of  the  substrate  (50  µM  to  1  mM,  dissolved  in  DMSO  as  a  50  mM  stock  solution)  to  a  constant  concentration of NADPH (150 µM) and enzyme (3 µM); the initial rates were plotted against the substrate  concentration.  After  fitting  of  the  curve,  a  kapp  value  of  40  min‐1  and  a  KM  value  of  91  µM  could  be  obtained (Figure S11).  

S35 

 

  Figure  S11.  Steady‐state  kinetics  for  NtDBR  with  a  fixed  concentration  of  NADPH  (150  µM)  and  varied  concentrations of cinnamaldehyde.   

The reaction rate for NtDBR with cinnamaldehyde and NADH, mNADH 1 and mNADH 3 were determined  using biocatalytic reactions in KPi buffer (50 mM, pH 7.5). The reactions consisted of a constant amount of  enzyme (10 µM) and coenzyme (6 mM) and various concentrations of substrate (1 to 5 mM) in 500 µL of  total volume. The reactions were run at 30 °C, 800 rpm and, for each substrate concentration, the initial  rate was determined by quenching the reactions at different time points. Then, the product was extracted  with EtOAc (1 × 500 µL), dried over MgSO4 and analysed by GC as described before. For a comparison of  the coenzymes the observed rates at 5 mM substrate concentrations are summarized in Table S7  

  Figure S12. Reaction rates for NtDBR with a fixed concentration of coenzyme (6 mM) and varied concentrations  of cinnamaldehyde.  Table S7. Reaction rates for NADH and mNADHs 1 and 3 at 5 mM substrate concentration.  coenzyme 

kapp [min‐1] 

NADH 





0.15 



0.08 

   

 

S36 

 

10.2. NADPH‐dependent oxidase   YcnD was expressed and purified as described previously. 14  The  activity  for  YcnD  with  NAD(P)H  and  biomimetics  (1‐5)  was  tested  spectrophotometrically.  First,  the  UV‐vis absorbance spectrum of the coenzyme was recorded. Then, enzyme (final concentration 400 nM)  was added and after an incubation time of 5 min the spectrum was recorded again. Immediately after the  addition  of  the  coenzyme,  the  solution  containing  the  flavin‐dependent  enzyme  became  colourless,  indicating the reduction of the flavin. Then, the flavin underwent slowly reoxidation  by molecular oxygen.  A  bleach  of  the UV‐vis absorbance spectra of the  coenzyme  showed  activity  for YcnD  towards  NAD(P)H  and biomimetics 1, 2, 3 and 5 which can be seen in Figure S13. 

  Figure  S13.  UV‐vis  absorbance  spectra  of  YcnD  (dotted  line),  reduced  coenzymes  (solid  line)  and  coenzyme  after incubation with YcnD for 5 min (dashed line).  S37 

 

11. References  (1) Paul, C. E.; Gargiulo, S.; Opperman, D. J.; Lavandera, I.; Gotor‐Fernandez, V.; Gotor, V.; Taglieber,  A.; Arends, I. W. C. E.; Hollmann, F. Org. Lett. 2013, 15, 180.  (2)  Opperman,  D.  J.;  Sewell,  B.  T.;  Litthauer,  D.;  Isupov,  M.  N.;  Littlechild,  J.  A.;  van  Heerden,  E.  Biochem. Biophys. Res. Commun. 2010, 393, 426.  (3) Knaus, T.; Mutti, F. G.; Humphreys, L. D.; Turner, N. J.; Scrutton, N. S. Org. Biomol. Chem. 2015, 13,  223.  (4) Litthauer, S.; Gargiulo, S.; van Heerden, E.; Hollmann, F.; Opperman, D. J. J. Mol. Catal. B: Enzym.  2014, 99, 89.  (5) Fryszkowska, A.; Toogood, H.; Sakuma, M.; Gardiner, J. M.; Stephens, G. M.; Scrutton, N. S. Adv.  Synth. Catal. 2009, 351, 2976.  (6) Poizat, M.; Arends, I. W. C. E.; Hollmann, F. J. Mol. Catal. B: Enzym. 2010, 63, 149.  (7)  Bernard,  J.;  van Heerden,  E.;  Arends,  I.  W.  C.  E.;  Opperman,  D.  J.;  Hollmann,  F.  ChemCatChem  2012, 4, 196.  (8) Winter, G. J. Appl. Crystallogr. 2010, 43, 186.  (9)  Emsley,  P.;  Lohkamp,  B.;  Scott,  W.  G.;  Cowtan,  K.  Acta  Crystallogr.  Sect.  D  Biol.  Crystallography  2010, 66, 486.  (10) Adams, P. D.; Afonine, P. V.; Bunkóczi, G.; Chen, V. B.; Davis, I. W.; Echols, N.; Headd, J. J.; Hung,  L. W.;  Kapral, G. J.;  Grosse‐Kunstleve,  R.  W.;  McCoy, A.  J.; Moriarty, N.  W.;  Oeffner,  R.;  Read, R. J.;  Richardson,  D.  C.;  Richardson,  J.  S.;  Terwilliger,  T.  C.;  Zwart,  P.  H.  Acta  Crystallogr.  Sect.  D  Biol.  Crystallography 2010, 66, 213.  (11) Chen, V. B.; Arendall, W. B.; Headd, J. J.; Keedy, D. A.; Immormino, R. M.; Kapral, G. J.; Murray, L.  W.; Richardson, J. S.; Richardson, D. C. Acta Crystallogr. Sect. D Biol. Crystallography 2010, 66, 12.  (12) The {\it PDB_REDO} server for macromolecular structure model optimization. IUCrJ, 1, 213.  (13) Mansell, D. J.; Toogood, H. S.; Waller, J.; Hughes, J. M. X.; Levy, C. W.; Gardiner, J. M.; Scrutton,  N. S. Adv. Synth. Catal. 2013, 3, 370.  (14)  Morokutti,  A.;  Lyskowski,  A.;  Sollner,  S.;  Pointner,  E.;  Fitzpatrick,  T.  B.;  Kratky,  C.;  Gruber,  K.;  Macheroux, P. Biochemistry 2005, 44, 13724.     

S38