Computer-aided rational enzyme design for industrial and technological applications

Abstract

The massive industrial production exploited by our society since the XIX century has growth at expenses of the planet. Environmental damages are already visible, and they urge us to find new and sustainable production ways. Among all contributors, this thesis is focused on enzymes and its potential application in industry. Enzymes are biomolecules capable of performing and speeding up chemical reactions. Their versatility makes them a perfect choice for green chemistry proposals, allowing the substitution of damaging process involving hard chemical compounds or heavy energy usage. The work done focus on the better understanding of enzymatic properties and behavior to improve them for industrial application, by applying state-of-the-art modeling techniques. This knowledge has allowed the development of a new classification method for substrate promiscuity, the Effective Volume, and the design of enhanced enzyme variants. In the enzyme engineering line, this thesis presents a mutant laccase obtained through computer-aided rational design, with an improved activity over arylamines, tailored explicitly for polyaniline production. Moreover, we introduce, for the first time in our knowledge, the concept of PluriZymes, an enzyme with two fully functional active sites: an original one and a “de novo” artificially added one.

La producció industrial massiva generada per la nostra societat des del segle XIX, ha crescut a expenses del planeta. Els danys ambientals ja són visibles i ens animen a trobar formes de producció noves i sostenibles. Entre tots els col·laboradors, aquesta tesi es centra en els enzims i la seva possible aplicació a la indústria. Els enzims són biomolècules capaces de realitzar i accelerar les reaccions químiques. La seva versatilitat els converteix en una opció perfecta per química verda, permetent la substitució de processos nocius que comporten utilitzar compostos químics durs o un ús intensiu d’energia. Els resultats presentats es centren en una millor comprensió de les propietats enzimàtiques i del seu comportament per millorar-les per a aplicacions industrials, mitjançant l'aplicació de tècniques de modelització d'última generació. Aquest coneixement ha permès el desenvolupament d’un nou mètode de classificació de la promiscuïtat del substrat, Effective Volume, i el disseny de variants enzimàtiques millorades. En la línia d’enginyeria d’enzims, aquesta tesi presenta una lacasa mutant obtinguda a través d’un disseny racional assistit per ordinador, amb una activitat millorada sobre les arilaminas, adaptada explícitament a la producció de polianilina. A més, introduïm, per primera vegada en el nostre coneixement, el concepte de PluriZymes, un enzim amb dos llocs actius totalment funcionals, l'original i el afegit “de novo” artificial.