Estudios teóricos y computacionales para la síntesis enzimática del enlace glicosídico

Abstract

En esta tesis se ha investigado el mecanismo catalítico de las glicosiltransferasas que retienen la configuración a través de simulaciones híbridas de mecánica cuántica/mecánica molecular (QM/MM) y dinámicas moleculares (MD). La investigación se centra en la evaluación de las propuestas mecanísticas, además de la identificación de los principales factores que contribuyen a la eficiencia catalítica. Para esto usamos dos enzimas, α1,4-N-Acetilhexosaminiltransferasa (EXTL2) y Glucosil-3-fosfoglicerato Sintasa (GpgS) de Mycobacterium Tuberculosis. Además, se llevaron a cabo simulaciones adicionales de modelos in silico construidos en base a la enzima nativa o mutante para desvelar los roles de los residuos que se encuentran en una de las caras del sustrato transferible (cara β del azúcar). Los resultados de GpgS se exponen en el Capítulo 4 y los resultados de EXTL2 se presentan a lo largo de los Capítulos 5 y 6. En el Capítulo 7, otras dos glicosiltransferasas retenedoras investigadas en una tesis previa del grupo (LgtC y α3GalT), junto a EXTL2 y GpgS son estudiadas y comparadas para analizar con mayor profundidad las características estructurales de la cara β del azúcar y sus implicaciones en el mecanismo catalítico. En este capítulo también se incluye una discusión general sobre los principales factores que modulan la eficiencia catalítica en cada enzima, dando de esta manera, una visión más completa y general acerca de las estrategias catalíticas realizadas por las glicosiltransferasas retenedoras. Finalmente, las conclusiones generales de este trabajo se resumen en el Capítulo 8. Parte de los resultados presentados en esta tesis pueden ser encontrados en las siguientes publicaciones:

• Albesa-Jove, D.; Mendoza, F.; Rodrigo-Unzueta, A.; Gomollon-Bel, F.; Cifuente, J. O.; Urresti, S.; Comino, N.; Gómez, H.; Romero-Garcia, J.; Lluch, J. M.; Sancho-Vaello, E.; Biarnes, X.; Planas, A.; Merino, P.; Masgrau, L.; Guerin, M. E. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 9898-9902. • Gomez, H.; Mendoza, F.; Lluch, J. M.; Masgrau, L. Advances in protein chemistry and structural biology 2015, 100, 225-254. • Mendoza, F.; Gomez, H.; Lluch, J. M.; Masgrau, L. Acs Catalysis 2016, 6, 2577-2589.

In the present thesis the catalytic mechanism of retaining glycosyltransferases has been investigated by means of hybrid quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) and molecular dynamics (MD) simulations. The research is focused on the evaluation of the mechanistic proposals, as well as the identification of the main factors that contribute to the catalytic efficiency. For that we use two enzymes, α1,4-N-Acetylhexosaminyltransferase (EXTL2) and Mycobacterium Tuberculosis Glucosyl-3-phosphoglycerate Synthase (GpgS). Moreover, further simulations using in silico models built based on the native or mutant enzymes were carried out to unveil the roles of the residues located in one of the faces of the transferable substrate (β-face of the sugar). The results for GpgS are exposed in Chapter 4 and the results for EXTL2 are presented through Chapters 5 and 6. In Chapter 7, two other retaining glycosyltransferases investigated in a previous thesis of the group (LgtC and α3GalT), along with EXTL2 and GpgS are studied and compared to further analyse the structural features in the β-face of the sugar and its implications on the catalytic mechanism. A general discussion around the main factors modulating the catalytic efficiency in each enzyme is also included in this Chapter, providing in this way a more complete and general picture about the catalytic strategies performed by retaining glycosyltransferases. Finally, the general conclusions of this work are outlined in Chapter 8. Part of the results presented in this thesis is already published and can be found in the following papers:

• Albesa-Jove, D.; Mendoza, F.; Rodrigo-Unzueta, A.; Gomollon-Bel, F.; Cifuente, J. O.; Urresti, S.; Comino, N.; Gómez, H.; Romero-Garcia, J.; Lluch, J. M.; Sancho-Vaello, E.; Biarnes, X.; Planas, A.; Merino, P.; Masgrau, L.; Guerin, M. E. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 9898-9902. • Gómez, H.; Mendoza, F.; Lluch, J. M.; Masgrau, L. Advances in protein chemistry and structural biology 2015, 100, 225-254. • Mendoza, F.; Gómez, H.; Lluch, J. M.; Masgrau, L. Acs Catalysis 2016, 6, 2577-2589.