Multiscalar strategies for the characterization of engineered P450 enzymes

Abstract

Enzymes are a type of proteins that help chemical reactions happen faster in living organisms. Scientists have been able to modify these enzymes using a technique called protein engineering, which allowed to increase the number of the reactions that these enzymes can perform.

One group of enzymes called cytochrome P450s are really good performing oxidation reactions, which involve adding oxygen to certain molecules. Scientists found a P450 enzyme from a bacterium that could do this, but it also made a side product that they didn't expect but that is very challenging to obtain. Then, they modified the natural enzyme to make it better at making this side product, but the way how this modified enzyme does this reaction is still not know.

In this PhD thesis, computer models were used to understand how this new enzyme works, as the reaction cannot be directly observed in a laboratory. More specifically, several computer methods were combined to provide more information about the reactions performed by this P450.

Following this research line, two new P450 enzymes were obtained. The first can perform the same interesting reaction but on more molecules, while the second only contain one small difference with respect to the other enzymes, but the kind of reaction that it does is totally different compared to the others. To understand how these enzymes do these reactions, computer models were also used to “see” how this enzymes work.

The information obtained using these computer models can help scientists to obtain new enzymes that can perform more interesting reactions in a near future

Els enzims són un tipus de proteïnes que ajuden a accelerar les reaccions químiques en els organismes vius. Les científiques han estat capaces de modificar aquests enzims utilitzant una tècnica que es diu enginyeria de proteïnes, que ha permès augmentar el nombre de reaccions que aquests enzims poden dur a terme.

Un grup d'enzims anomenats citocroms P450 són especialment bons fent reaccions d'oxidació. Aquestes reaccions impliquen afegir oxigen a certes molècules. Els científics van descobrir un bacteri amb un enzim P450 que podia fer això, però també produïa un producte secundari que no s'esperaven i que és molt difícil d'obtenir. Després, van modificar l'enzim natural perquè fos millor en la producció d'aquest producte secundari. To i així, encara no es coneix el mecanisme exacte amb què aquest enzim modificat dur a terme aquesta reacció.

En aquesta tesi doctoral, s'han utilitzat models informàtics per comprendre com funciona aquest nou enzim, ja que la reacció no es pot observar directament en un laboratori. Més concretament, s'han combinat diversos mètodes compu-tacionals per aconseguir encara més informació sobre les reaccions que pot fer aquest P450.

Seguint aquesta línia de recerca, s'han trobat dos nous enzims P450. El primer pot fer la mateixa reacció que abans però amb més molècules, mentre que el segon té només una petita diferència comparat amb els altres enzims, però el tipus de reacció que realitza és totalment diferent. Per comprendre com aquests enzims realitzen aquestes reaccions, també s'han utilitzat models informàtics per "veure" com funcionen aquests enzims.

La informació generada amb aquests models generats per ordinador pot ajudar a la comunitat científica a obtenir nous enzims que puguin realitzar més reaccions interessants en un futur pròxim