Computational studies of the conformational landscape of allosteric and enantioselective enzymes

Abstract

Enzymes are sophisticated biomacromolecules whose function is linked to its three-dimensional structure and conformational dynamics. Therefore, the understanding of enzyme conformational dynamics can be exploited to enhance enzyme efficiencies. First, we study alcohol dehydrogenase (ADH) enzymes in order to investigate the molecular basis of the reversion of enantioselectivity and thermo-adaptation displayed by laboratory-evolved enzyme variants towards non-natural substrates. In second place, we study the allosteric complex tryptophan synthase (TrpS) in order to decipher the allosteric effects exerted by the protein partner and by the introduction of mutations in laboratory evolved stand-alone enzyme variants. The study follows with the development of a strategy based on cross correlation tools in order to design stand-alone enzyme variants. Finally, the most promising computational designs are tested experimentally confirming their superior stand-alone activity. The studies gathered in this thesis emphasize the relevance of considering the enzyme conformational dynamics in computational enzyme engineering processes

Els enzims són biomacromolècules sofisticades la funció de les quals està lligada a la seva estructura tridimensional i dinàmica conformacional. Per tant, la comprensió de la dinàmica conformacional dels enzyms es util per millorar la seva eficiència. Primer estudiem l’enzim alcohol deshidrogenasa (ADH) per investigar les bases moleculars de la reversió de l’enantioselectivitat i la termoadaptació que mostren les variants enzimàtiques desenvolupades al laboratori. En segon lloc estudiem el complex al·losteric triptòfan sintasa (TrpS) per desxifrar els efectes al·lostèrics que exerceix el soci proteic i la introducció de mutacions en variants enzimàtiques autònomes evolucionades al laboratori. L'estudi segueix amb el desenvolupament d'una estratègia basada en eines de correlació creuada per tal de dissenyar variants enzimàtiques autònomes. Finalment, es proven experimentalment els dissenys computacionals que confirmen la seva activitat autònoma. Els estudis recollits en aquesta tesi emfatitzen la rellevància de considerar la dinàmica conformacional enzimàtica en processos d’enginyeria computacionals d’enzims