Computational Enzyme Stabilization Can Affect Folding Energy Landscapes and Lead to Catalytically Enhanced Domain-Swapped Dimers

MARKOVÁ, Klára; Antonín KUNKA; Klaudia CHMELOVÁ; Martin HAVLÁSEK; Petra BABKOVÁ; Sérgio Manuel MARQUES; Michal VAŠINA; Joan PLANAS IGLESIAS; Radka CHALOUPKOVÁ; David BEDNÁŘ; Zbyněk PROKOP; Jiří DAMBORSKÝ a Martin MAREK. Computational Enzyme Stabilization Can Affect Folding Energy Landscapes and Lead to Catalytically Enhanced Domain-Swapped Dimers. ACS Catalysis. WASHINGTON: AMER CHEMICAL SOC, 2021, roč. 11, č. 21, s. 12864-12885. ISSN 2155-5435. Dostupné z: https://doi.org/10.1021/acscatal.1c03343.

Základní údaje

Originální název

Computational Enzyme Stabilization Can Affect Folding Energy Landscapes and Lead to Catalytically Enhanced Domain-Swapped Dimers

Autoři

MARKOVÁ, Klára; Antonín KUNKA; Klaudia CHMELOVÁ; Martin HAVLÁSEK; Petra BABKOVÁ; Sérgio Manuel MARQUES; Michal VAŠINA; Joan PLANAS IGLESIAS; Radka CHALOUPKOVÁ; David BEDNÁŘ; Zbyněk PROKOP; Jiří DAMBORSKÝ a Martin MAREK

Vydání

ACS Catalysis, WASHINGTON, AMER CHEMICAL SOC, 2021, 2155-5435

---

Další údaje

Jazyk

angličtina

Typ výsledku

Článek v odborném periodiku

Obor

10403 Physical chemistry

Stát vydavatele

Spojené státy

Utajení

není předmětem státního či obchodního tajemství

Odkazy

URL

Impakt faktor

Impact factor: 13.700

Označené pro přenos do RIV

Ano

Kód RIV

RIV/00216224:14310/21:00124052

Organizační jednotka

Přírodovědecká fakulta

DOI

https://doi.org/10.1021/acscatal.1c03343

UT WoS

000716773800006

EID Scopus

2-s2.0-85117796356

Klíčová slova anglicky

protein folding; protein design; alpha/beta-hydrolase; haloalkane dehalogenase; domain swapping; energy landscape; oligonicrization; catalytic efficiency; substrate inhibition

Štítky

14314010, 143180, rivok

Příznaky

Mezinárodní význam, Recenzováno

---

Anotace

V originále

The functionality of an enzyme depends on its unique three-dimensional structure, which is a result of the folding process when the nascent polypeptide follows a funnel-like energy landscape to reach a global energy minimum. Computer-encoded algorithms are increasingly employed to stabilize native proteins for use in research and biotechnology applications. Here, we reveal a unique example where the computational stabilization of a monomeric alpha/beta-hydrolase enzyme (T-m = 73.5 degrees C; Delta T-m > 23 degrees C) affected the protein folding energy landscape. The introduction of eleven single-point stabilizing mutations based on force field calculations and evolutionary analysis yielded soluble domain-swapped intermediates trapped in local energy minima. Crystallographic structures revealed that these stabilizing mutations might (i) activate cryptic hinge-loop regions and (ii) establish secondary interfaces, where they make extensive noncovalent interactions between the intertwined protomers. The existence of domain-swapped dimers in a solution is further confirmed experimentally by data obtained from small-angle X-ray scattering (SAXS) and cross-linking mass spectrometry. Unfolding experiments showed that the domain-swapped dimers can be irreversibly converted into native-like monomers, suggesting that the domain swapping occurs exclusively in vivo. Crucially, the swapped-dimers exhibited advantageous catalytic properties such as an increased catalytic rate and elimination of substrate inhibition. These findings provide additional enzyme engineering avenues for next-generation biocatalysts.

---

Návaznosti

EF17_043/0009632, projekt VaV	Název: CETOCOEN Excellence
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
LM2018127, projekt VaV	Název: Česká infrastruktura pro integrativní strukturní biologii (Akronym: CIISB) Investor: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR, Czech Infrastructure for Integrative Structural Biology
LM2018140, projekt VaV	Název: e-Infrastruktura CZ (Akronym: e-INFRA CZ) Investor: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR, e-Infrastruktura CZ
MUNI/H/1561/2018, interní kód MU	Název: Decoding the molecular principles of enzyme evolution Investor: Masarykova univerzita, Decoding the molecular principles of enzyme evolution, Individuální projekty hraničního výzkumu
792772, interní kód MU	Název: Structural and biochemical studies of an ancestral enzyme with dual dehalogenase and luciferase activity (Akronym: Ancestral) Investor: Evropská unie, Structural and biochemical studies of an ancestral enzyme with dual dehalogenase and luciferase activity, MSCA Marie Skłodowska-Curie Actions (Excellent Science)
814418, interní kód MU	Název: Synthetic biology-guided engineering of Pseudomonas putida for biofluorination (Akronym: SinFonia) Investor: Evropská unie, Synthetic biology-guided engineering of Pseudomonas putida for biofluorination, Leadership in enabling and industrial technologies (LEIT) (Industrial Leadership)
857560, interní kód MU (Kód CEP: EF17_043/0009632)	Název: CETOCOEN Excellence (Akronym: CETOCOEN Excellence) Investor: Evropská unie, CETOCOEN Excellence, Spreading excellence and widening participation
90121, velká výzkumná infrastruktura	Název: RECETOX RI