J 2017

Catalytic Cycle of Haloalkane Dehalogenases Toward Unnatural Substrates Explored by Computational Modeling

MARQUES, Sérgio Manuel, Zuzana DUNAJOVÁ, Zbyněk PROKOP, Radka CHALOUPKOVÁ, Jan BREZOVSKÝ et. al.

Základní údaje

Originální název

Catalytic Cycle of Haloalkane Dehalogenases Toward Unnatural Substrates Explored by Computational Modeling

Autoři

MARQUES, Sérgio Manuel (620 Portugalsko, domácí), Zuzana DUNAJOVÁ (703 Slovensko, domácí), Zbyněk PROKOP (203 Česká republika, domácí), Radka CHALOUPKOVÁ (203 Česká republika, domácí), Jan BREZOVSKÝ (203 Česká republika, domácí) a Jiří DAMBORSKÝ (203 Česká republika, garant, domácí)

Vydání

JOURNAL OF CHEMICAL INFORMATION AND MODELING, DC USA, AMER CHEMICAL SOC, 2017, 1549-9596

Další údaje

Jazyk

angličtina

Typ výsledku

Článek v odborném periodiku

Obor

10201 Computer sciences, information science, bioinformatics

Stát vydavatele

Spojené státy

Utajení

není předmětem státního či obchodního tajemství

Odkazy

Impakt faktor

Impact factor: 3.804

Kód RIV

RIV/00216224:14310/17:00095517

Organizační jednotka

Přírodovědecká fakulta

UT WoS

000408790100022

Klíčová slova anglicky

MOLECULAR-DYNAMICS SIMULATIONS; FORCE-FIELD; DIRECTED EVOLUTION; SYNTHETIC PATHWAY; PRODUCT RELEASE; MECHANISM; KINETICS; LINB; BIODEGRADATION; PARAMETERS

Štítky

Změněno: 29. 3. 2018 23:17, Ing. Nicole Zrilić

Anotace

V originále

The anthropogenic toxic compound 1,2,3-trichloropropane is poorly degradable by natural enzymes. We have previously constructed the haloalkane dehalogenase DhaA31 by focused directed evolution (Pavlova, M. et al. Nat. Chem. Biol. 2009, 5, 727-733), which is 32 times more active than the wild-type enzyme and is currently the most active variant known against that substrate. Recent evidence has shown that the structural basis responsible for the higher activity of DhaA31 was poorly understood. Here we have undertaken a comprehensive computational study of the main steps involved in the biocatalytic hydrolysis of 1,2,3-trichloropropane to decipher the structural basis for such enhancements. Using molecular dynamics and quantum mechanics approaches we have surveyed (i) the substrate binding, (ii) the formation of the reactive complex, (iii) the chemical step, and (iv) the release of the products. We showed that the binding of the substrate and its transport through the molecular tunnel to the active site is a relatively fast process. The cleavage of the carbon halogen bond was previously identified as the rate-limiting step in the wild-type. Here we demonstrate that this step was enhanced in DhaA31 due to a significantly higher number of reactive configurations of the substrate and a decrease of the energy barrier to the S(N)2 reaction. C176Y and V245F were identified as the key mutations responsible for most of those improvements. The release of the alcohol product was found to be the rate-limiting step in DhaA31 primarily due to the C176Y mutation. Mutational dissection of DhaA31 and kinetic analysis of the intermediate mutants confirmed the theoretical observations. Overall, our comprehensive computational approach has unveiled mechanistic details of the catalytic cycle which will enable a balanced design of more efficient enzymes. This approach is applicable to deepen the biochemical knowledge of a large number of other systems and may contribute to robust strategies in the development of new biocatalysts.

Návaznosti

GAP503/12/0572, projekt VaV
Název: Konstrukce syntetické metabolické dráhy pro degradaci důležitého environmentálního polutantu proteinovým a metabolickým inženýrstvím
Investor: Grantová agentura ČR, Konstrukce syntetické metabolické dráhy pro degradaci důležitého environmentlního polutantu proteinovým a metabolickým inženýrstvím
LH14027, projekt VaV
Název: Nové koncepty a nástroje pro racionální design enzymů
Investor: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR, Nové koncepty a nástroje pro racionální design enzymů
LM2015047, projekt VaV
Název: Česká národní infrastruktura pro biologická data (Akronym: ELIXIR-CZ)
Investor: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR, Česká národní infrastruktura pro biologická data
LM2015051, projekt VaV
Název: Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí (Akronym: RECETOX RI)
Investor: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR, Výzkumná infrastruktura RECETOX
LM2015055, projekt VaV
Název: Centrum pro systémovou biologii (Akronym: C4SYS)
Investor: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR, The national infrastructure C4SYS - Centre for Systems Biology
LO1214, projekt VaV
Název: Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí (Akronym: RECETOX)
Investor: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR, Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
MUNI/M/1888/2014, interní kód MU
Název: Pokročilé hybridní metody studia transportních procesů v proteinech a jejich využití v designu biokatalyzátorů
Investor: Masarykova univerzita, Pokročilé hybridní metody studia transportních procesů v proteinech a jejich využití v designu biokatalyzátorů, INTERDISCIPLINARY - Mezioborové výzkumné projekty
4SGA8519, interní kód MU
Název: Rational design and engineering of enzyme gates (Akronym: BIOGATE)
Investor: Jihomoravský kraj, Rational design and engineering of enzyme gates, Granty pro zahraniční vědce