Quantum chemistry and conformational sampling meet together: a powerful approach to study and design metalloprotein reactivity
- Autores: Emanuele Monza
- Directores de la Tesis: Victor Guallar Tasies (dir. tes.), Manel Canales Gabriel (tut. tes.)
- Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Marcel Swart (presid.), Ramon Crehuet Simon (secret.), Jan Halborg Jensen (voc.)
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- Resumen
Las metaloproteínas son proteínas que contienen iones metálicos como cofactores. En comparación con los catalizadores químicos, las metaloproteínas tienen una configuración bien definida alrededor del sitio activo que asegura mejor especificidad, selectividad y velocidad de reacción. Las metaloproteínas son solubles en agua, su función puede ser optimizada genéticamente mediante la modificación de un huésped y son biodegradables. Por lo tanto, son ideales para la creación de nuevos catalizadores verdes y terapéuticos. No obstante, las metaloproteínas, como se encuentran en la naturaleza, no suelen estar listas para la industria y pueden necesitar ser re-diseñadas. Las simulaciones moleculares pueden orientar el diseño de mejores metaloproteinas, reduciendo el trabajo experimental. Modelar la función de las metaloproteinas necesita el muestreo de los grados de libertad electrónicos y nucleares para describir exhaustivamente su reactividad química. La combinación de muestreo conformacional y técnicas de química cuántica permite modelar la catálisis de una reacción o como un ligando se une covalentemente a una metaloproteína, sin omitir información sobre la dinámica de la proteína. En esta tesis, estas técnicas computacionales se utilizan sistemáticamente para estudiar y orientar presentes y futuros esfuerzos de diseño de lacasas y hemoglobina.
Las lacasas son oxidorreductasas que pueden oxidar una gran variedad de sustratos y reducir oxígeno a agua. Por lo tanto, tienen interés en las aplicaciones de la química verde: funcionan con aire y producen agua como subproducto. Hasta ahora, la mayoría de los esfuerzos realizados para ampliar el espacio químico de lacasas se han centrado en aumentar el potencial redox del primer aceptor de electrones a base de cobre, una elección que obtuvo un éxito limitado. En este trabajo, se propone centrarse en el sustrato deseado, diseñando el sitio activo de las lacasas para mejor enlace y oxidación. Para ello, un protocolo de cálculo fue desarrollado, basado en el muestreo del espacio conformacional de la enzima-sustrato con técnicas Monte Carlo, seguido de cálculos de química cuántica para cuantificar la oxidación. El protocolo fue validado por primera vez contra datos experimentales, lo que probó su capacidad para proporcionar una justificación de las lacasas de funcionar. A continuación se utilizó esta nueva herramienta para mejorar la oxidación de la anilina por una lacasa, simulando el efecto de ciertas mutaciones que se probaron en el laboratorio por nuestros colaboradores. Como resultado, las mutaciones mejoraron significativamente la oxidación de anilina. Otro diseño produjo una mejora significativa en la actividad de otro lacasa hacía tres sustratos diferentes. Por lo tanto, la metodología desarrollada demostró ser útil para diseñar las lacasas hacia un dado sustrato. Un protocolo similar, que utiliza un método de cálculo empírico en lugar de técnicas de química cuántica, se utilizó para unir selectivamente un fotosensibilizador a la superficie de una lacasa.
La hemoglobina, una proteína que contiene cuatro grupos hemo para transportar el oxígeno de los pulmones a los tejidos en el cuerpo, es un candidato para el diseño sustituyente de la sangre. Sin embargo, su diseño se ve dificultado por el limitado conocimiento de su funcionamiento. Aquí, la combinación de técnicas Monte Carlo y química cuántica se utilizó para apoyar una teoría sobre el mecanismo alostérico de la hemoglobina y caracterizar estructuralmente los estados finales de la transición alostérica terciaria por primera vez. Estos cálculos, que fueron comparados con los datos experimentales disponibles, permitieron conocer el papel de los aminoácidos próximos al sitio de unión de oxígeno. Esta información se utilizó en un estudio posterior de la dinámica molecular que mostró cómo las cuatro subunidades de la hemoglobina dan lugar a la respuesta alostérica, destacando las rutas de señalización y su jerarquía.
