In silico molecular modelling and design of heme-containing peroxidases for industrial applications

Abstract

It is widely known that the development of modern chemistry and the consequent world industrialization have improved our quality of life to unimaginable levels. However, these advances have come with a high cost, causing environmental, health and societal concerns. As a consequence, during the past two decades a growing need has appeared to update the traditional chemistry industry processes towards greener and efficient alternatives. Along these lines, the use of enzymes has shown to be a suitable alternative to conventional industrial chemical processes. Enzymes are life-essential proteins that catalyze biochemical reaction and show several advantages over conventional chemical catalysts: they work under milder conditions, which decrease the energy requirements and consequently the capital costs of reactions; They show a high degree of selectivity and catalytic efficiency; and in addition, they are inherently non-hazardous, reusable and biodegradable catalysts, making them ideal environmentally friendly reagents. However, the main bottleneck for taking more benefit of enzymes in an industrial context is the lack of biocatalysts with the required selectivity, availability, and compatibility with industrial rigorous process conditions, and because of this, the development of enhanced enzymes by means of enzyme engineering is a main research field nowadays. Along these lines, in silico methodologies have progressively turned into highly valuable tools for the study and design of enzymatic systems, due to their unique potential to offer atomic and electronic-level insights into biocatalysts’ activity. Moreover, the continuous software and hardware improvements, and the cost-effectiveness and rapidness generally associated with these methods, make them very appealing for their application to the real problems that face the industry. Motivated by the advances on computational techniques and by the ease of obtaining valuable experimental data, which has been provided by our collaborators, the main goal of this thesis has been to understand the mechanisms of reaction of the heme-containing peroxidases under study (Auricularia auricula-judae DyP and Agrocybe aegerita UPO). Moreover, the acquired knowledge has been used to evaluate experimentally obtained enzyme variants and to guide the design of new ones towards desired properties. In this way, distinct computational techniques at different levels of accuracy (e.g. PELE, QM/MM or MD calculations) have been used to unravel the atomic and electronic mechanistic details under peroxidases mechanisms (e.g. long range electron transfer pathways, peroxidation and peroxygenation mechanisms) and to rationalize the molecular determinants that guide yield and selectivity in both natural occurring and experimentally designed peroxidases. Furthermore, the better understanding of the molecular principles under enzyme activity, along with the use of in silico semi-rational redesign methods, has enabled us to tailor UPO enzyme towards the enhanced production of high-value chemicals.

A causa del desenvolupament de la química moderna i de la consegüent industrialització del món, la nostra qualitat de vida ha millorat a uns nivells que creiem inimaginables. Malauradament, tots aquests avenços han vingut acompanyats de repercussions mediambientals, socials i de salut. Per això, en les dues últimes dècades s'ha percebut una creixent necessitat de reemplaçar els processos químics tradicionals per alternatives més ecològiques i eficients. En aquest sentit, els enzims han demostrat ser una alternativa molt plausible als processos químics convencionals que s'usen avui en dia en la indústria. Els enzims són proteïnes essencials per a la vida que catalitzen reaccions bioquímiques, i l'ús dels quals aporta múltiples avantatges en comparació a les tècniques convencionals: permeten treballar en condicions suaus, fet que disminueix els requisits energètics i conseqüentment els costos de les reaccions a nivells industrials; en general són molt selectius i eficients; i a més a més, són inherentment reutilitzables, segurs i biodegradables, fet que els converteix en reactius respectuosos amb el medi ambient. Tot i això, les seves aplicacions a nivells industrials encara són limitades degut a la baixa tolerància a substrats, la poca disponibilitat d'enzims i a l'escassa resistència a les severes condicions industrials. Per aquesta raó, avui en dia el desenvolupament d'enzims millorats és un camp d'investigació important. Particularment, les tècniques in silico de modelització molecular s'estan convertint cada vegada més en eines clau per a l'estudi i el disseny de biocatalitzadors degut al seu potencial per a obtenir informació, tant a escala electrònica com molecular, sobre els mecanismes d'acció enzimàtics. A més a més, millores en el software i el hardware, i la rapidesa i bona relació cost-qualitat que mostren aquests mètodes, els fan molt atractius per a resoldre els problemes reals de la indústria. Motivada pels avenços en les tècniques computacionals i per la facilitat d'obtenir dades experimentals, que han estat proporcionades pels nostres col·laboradors, l'objectiu principal d'aquesta tesi ha sigut entendre els mecanismes de reacció de les peroxidases (en particular la DyP del fong Auricularia aurícula-judae i la UPO del fong Agrocybe aegerita). D'altra banda, els coneixements adquirits durant aquest procés de racionalització s'han utilitzat per avaluar variants millorats d'enzims obtinguts experimentalment i per guiar el disseny de nous biocatalitzadors cap a les propietats desitjades. Així doncs, s'han utilitzat diferents tècniques computacionals, a diferents nivells de precisió (p. ex. PELE, QM/MM o MD), per tal de comprendre els mecanismes electrònics i moleculars responsables de diferents mecanismes en les peroxidases (p. ex., mecanismes de transferència electrònica de llarg abast, peroxidació o peroxigenació), i racionalitzar els determinants moleculars que guien el rendiment i la selectivitat tant en les peroxidases naturals com en aquelles millorades experimentalment. A banda d'això, la millor comprensió dels principis moleculars responsables de l'activitat enzimàtica, juntament amb l'ús de mètodes computacionals per al disseny d'enzims, ens ha permès adaptar l'enzim UPO cap a la producció de productes químics valuosos.