Computational study and rational design of pluriZymes

Abstract

[eng] The increase in production over the last centuries has come at the expense of compromising the environment, urging the need to find solutions. Enzymes are the essential molecules that make life kinetically possible. In industry, enzymes can be a sustainable alternative to using inorganic catalysts. However, their low productivity, poor resistance to industrial conditions, and their cost limit their usage. Thus, enabling the tailoring of biocatalysts at will is crucial to expand their application. The advances in computational power, followed by the repertoire of modeling tools, are helping

design the next generation of biocatalysts due to their lower costs and quickness. This thesis aims to develop a novel concept of biocatalysis, which could lower the expression costs of enzymes, named pluriZymes. PluriZymes are proteins with plural catalytic active sites where one (at least) of them is artificially designed. The type of introduced functional site along the thesis has been the hydrolase one due to its simplicity (only 3 catalytic residues needed) and does not need a cofactor. The studied systems were transaminases and esterases since they have several applications in industry, thus, being of broad interest. All computational designs were experimentally validated by our collaborators. The thesis' results include an in-one protease-esterase pluriZyme, a transaminase- esterase pluriZyme with potential applications for the pharmaceutical industry, the rational improvement of substrate promiscuity of hydrolase sites, and a new algorithm to facilitate the design of artificial active sites. Hence, this thesis proves the potential of pluriZymes for the next generation of biocatalysts toward a more sustainable society and the need for computational tools to develop them.

[cat] L’augment en la producció dels darrers segles s’ha produït a canvi de comprometre el medi ambient, apressant la necessitat de trobar solucions. Els enzims són les molècules essencials que fan la vida possible cinèticament. En l'àmbit industrial, els enzims poden ser una alternativa sostenible a l’ús de catalitzadors inorgànics. No obstant això, la seva baixa productivitat, la poca resistència a les condicions industrials i el seu cost limiten el seu ús. Així doncs, la capacitat de poder adaptar els biocatalitzadors a voluntat és crucial per ampliar la seva aplicació. Els avenços en els recursos computacionals, seguits pel repertori d’eines de modelatge, estan ajudant a dissenyar la propera generació de biocatalitzadors pels seus baixos costs i la seva rapidesa. Aquesta tesi pretén desenvolupar un nou concepte en biocatàlisi, que podria reduir els costs d’expressió dels enzims, anomenat “pluriZyme”. Els “pluriZymes” són proteïnes amb múltiples llocs actius catalítics on almenys un d’ells està dissenyat artificialment. El tipus de lloc funcional introduït al llarg de la tesi ha estat la hidrolasa per la seva simplicitat (només calen 3 residus catalítics) i no necessita cofactor. Els sistemes estudiats van ser transaminases i esterases, ja que tenen diverses aplicacions a la indústria, per tant, són d'ampli interès. Tots els dissenys computacionals van ser validats experimentalment pels nostres col·laboradors. Els resultats de la tesi inclouen un “pluriZyme” proteasa-esterasa tot en un, un “pluriZyme” transaminasa-esterasa amb aplicacions potencials per a la indústria farmacèutica, la millora racional de la promiscuïtat de substrats de llocs hidrolasa i un nou algorisme per facilitar el disseny de llocs actius artificials. Per tant, aquesta tesi demostra el potencial de pluriZymes per a la propera generació de biocatalitzadors cap a una societat més sostenible i la necessitat d'eines computacionals per desenvolupar-los.

[spa] El incremento en la producción de los últimos siglos se ha producido a expensas de comprometer el medioambiente, lo que ha acelerado la necesidad de encontrar soluciones. Las enzimas son moléculas esenciales para que la vida sea cinéticamente posible. En el ámbito industrial, las enzimas pueden ser una alternativa sostenible a los catalizadores inorgánicos. Sin embargo, su baja productividad, poca resistencia a las condiciones industriales y su costo limitan su uso. Por lo tanto, permitir la adaptación de biocatalizadores a voluntad es crucial para expandir su aplicación. Los avances en recursos computacionales, seguidos por el repertorio de herramientas de modelado, están ayudando a diseñar la próxima generación de biocatalizadores debido a su menor costo y rapidez. Esta tesis tiene como objetivo desarrollar un concepto novedoso en el campo de biocatálisis, que podría reducir los costes de expresión de las enzimas, denominado "pluriZymes". Los "pluriZymes" son proteínas con sitios activos catalíticos plurales donde al menos uno de ellos está diseñado artificialmente. El tipo de sitio funcional introducido a lo largo de la tesis ha sido el de hidrolasa debido a su sencillez (solo se necesitan 3 residuos catalíticos) y no necesita cofactor. Los sistemas estudiados fueron transaminasas y esterasas, ya que tienen varias aplicaciones en la industria, por lo tanto, son de amplio interés. Todos los diseños computacionales fueron validados experimentalmente por nuestros colaboradores. Los resultados de la tesis incluyen una proteasa- esterasa "pluriZyme" todo en uno, una transaminasa-esterasa "pluriZyme" con aplicaciones potenciales para la industria farmacéutica, la mejora racional de la promiscuidad de sustratos de sitios hidrolasa y un nuevo algoritmo para facilitar el diseño de sitios activos artificiales. Por lo tanto, esta tesis demuestra el potencial de pluriZymes para la próxima generación de biocatalizadores hacia una sociedad más sostenible y la necesidad de herramientas computacionales para desarrollarlos.