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Título: Avaliação da termoestabilidade, atividade e resistência a ambientes ácidos de uma enzima de interesse biotecnológico via dinâmica molecular
Autor(es): Silva, Sérgio Ruschi Bergamachi
Palavras-chave: Xilanase;Dinâmica molecular;Mutantes;Enzimas multidomínio;Desenvolvimento biotecnológico
Data do documento: 31-Ago-2018
Referência: SILVA, Sérgio Ruschi Bergamachi. Avaliação da termoestabilidade, atividade e resistência a ambientes ácidos de uma enzima de interesse biotecnológico via dinâmica molecular. 2018. 136f. Tese (Doutorado em Química) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2018.
Abstract: The lignocellulosic ethanol production by enzymatic route has gained space among the industrial processes in order to replace the traditional acid treatment. Xylanases (E.C. 3.2.1.8) constitute a class of enzymes present in the enzymatic cocktail used for this purpose and have great industrial / commercial interest due to their high versatility in several known processes. In this context, some properties of biotechnological interest of a GH11 family xylanase were evaluated via molecular dynamics (MD) simulations. In a first study, we performed MD simulations of a xylanase produced by Bacillus subtilis (XynA_WT) and a quadruple mutant (Gln7His, Gly13Arg, Ser22Pro and Ser179Cys) which display an higher optimum catalytic temperature (20ºC) in relation to native. MD results suggest possible strategies for engineering GH11 xylanases to produce thermostable enzymes. Mutations in regions that exhibit reduced flexibility should preserve rigidity, but their substitution may be chosen to favorably affect other properties, such as solvation or hydrophobic interactions. The data do not only explain the thermostability effect of a GH11 xylanase observed in previous experiments of direct evolution, but also provide information for the planning of other thermostable GH11 mutants by rational design. In a second study, the target was a chimera formed between a xylanolytic domain (XynA) and a xylose binding protein (XBP) which had an experimental catalytic efficiency almost 3.5 times higher than the same non-chimerized xylanase. The factors responsible for this discrepancy were understood by MD simulations. The results suggested the formation and stabilization of a protein-protein interface between the two domains in the presence and absence of xylose in the active site of XBP. Interaction Potential Energy values (IPE) as a function of time show a greater stabilization in the interactions of this interface for xylose bound structure compared to the xylose free one. Structural parameters such as flexibility and volume of the active site were also evaluated. In general, the results suggest that the chimera displays greater rigidity in relation to free xylanase, and in particular the thumb region, which controls active site exposure, demonstrates a significant reduction in flexibility. Finally, MD simulations at different pHs were performed in order to understand the drastic decrease in the catalytic activity of this xylanase (native and chimeric form) in acidic environments, and, thus, to aggregate information to increase its resistance in such conditions. Data of side chain protonation states, open-close amplitude, gyration radius and solvent accessible surface are important analyzes to provide insights for elucidation of the mechanism of stabilization of this chimeras in acid environment.The thesis reinforces the descriptive and predictive capacities of the MD simulations in the biotechnological development of GH11 xylanases.
Resumo: A produção de etanol lignocelulósico através da rota enzimática tem ganhado espaço dentre os processos industriais a fim de substituir o tratamento ácido tradicional. As xilanases (E.C. 3.2.1.8) constituem uma classe de enzimas presentes no coquetel enzimático utilizado para esse fim e possuem grande interesse industrial/comercial devido sua alta versatilidade em diversos processos já conhecidos. Nesse contexto, algumas propriedades de interesse biotecnológico de uma xilanase da família GH11 foram avaliadas a partir de análises das simulações de dinâmica molecular (DM). Em um primeiro estudo, foram realizadas simulações por DM de uma xilanase produzida pela bactéria Bacillus subtilis (XynA_WT) e um mutante quádruplo (Gln7His, Gly13Arg, Ser22Pro e Ser179Cys) que apresenta uma temperatura catalítica ótima 20 ºC acima da XynA_WT. Os resultados da DM sugerem possíveis estratégias para engenharia de xilanases da família GH11 para produzir enzimas termoestáveis. As mutações em regiões que apresentam pouca flexibilidade deveriam preservar a rigidez, mas a substituição delas pode ser escolhida para afetar favoravelmente outras propriedades, como a solvatação ou interações hidrofóbicas. Os dados não explicam apenas o efeito de termoestabilidade de uma xilanase de GH11 observado em experimentos anteriores de evolução direta, mas também fornece informações para o planejamento de outros mutantes GH11 termoestáveis através do desenho racional. Em um segundo estudo, o alvo foi uma quimera formada entre um domínio xilanolítico (XynA) e uma proteína receptora de xilose (XBP) que apresentou uma eficiência catalítica experimental quase 3,5 vezes maior que a mesma xilanase não-quimerizada. Os fatores responsáveis por essa discrepância foram entendidos através de simulações DM. Os resultados sugeriram a formação e estabilização de uma interface proteínaproteína entre os dois domínios na presença e na ausência de xilose no sítio ativo da XBP. Valores de energia potencial de interação (IPE) em função do tempo mostram que existe uma maior estabilização nas interações dessa interface para estrutura com xilose em comparação com a estrutura sem xilose. Parâmetros estruturais como a flexibilidade e volume do sítio ativo também foram avaliados. Em geral, os resultados sugerem que a quimera apresenta uma estrutura mais rígida em comparação com xilanase isolada e, em particular, a região do polegar, que controla a exposição do sítio ativo, demonstra uma redução significativa na flexibilidade. Por fim, simulações DM em diferentes pHs foram feitas com o intuito de entender a queda drástica na atividade catalítica da xilanase (isolada e na forma de quimera) quando presente em ambientes ácidos, e dessa forma, agregar informações para aumentar sua resistência nessas condições. Dados de mudanças do estado de protonação, distância abre-fecha do sítio ativo, raio de giro e superfície acessível ao solvente ajudaram a entender esse fenômeno e fornecem indicativos para futuras pesquisas nesse sentido. A tese reforça a capacidade descritiva, e posteriormente preditiva, das simulações DM no desenvolvimento biotecnológico de xilanases GH11.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/26207
Aparece nas coleções:PPGQ - Doutorado em Química

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