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://dx.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 (203 Česká republika, domácí), Antonín KUNKA (203 Česká republika, domácí), Klaudia CHMELOVÁ (703 Slovensko, domácí), Martin HAVLÁSEK (203 Česká republika, domácí), Petra BABKOVÁ (203 Česká republika, domácí), Sérgio Manuel MARQUES (620 Portugalsko, domácí), Michal VAŠINA (203 Česká republika, domácí), Joan PLANAS IGLESIAS (724 Španělsko, domácí), Radka CHALOUPKOVÁ (203 Česká republika, domácí), David BEDNÁŘ (203 Česká republika, domácí), Zbyněk PROKOP (203 Česká republika, domácí), Jiří DAMBORSKÝ (203 Česká republika, garant, domácí) a Martin MAREK (203 Česká republika, domácí)

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

Kód RIV

RIV/00216224:14310/21:00124052

Organizační jednotka

Přírodovědecká fakulta

DOI

http://dx.doi.org/10.1021/acscatal.1c03343

UT WoS

000716773800006

Klíčová slova anglicky

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

Štítky

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
LM2018121, projekt VaV	Název: Výzkumná infrastruktura RECETOX (Akronym: RECETOX RI) Investor: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR, RECETOX RI
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