Determinantes estruturais da bioluminescência vermelha e eficiência catalítica na luciferase de phrixothrix hirtus e seleção de combinação emissora de luz vermelha distante com 6´-amino-análogos de luciferina

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Bevilaqua, Vanessa Rezende
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/12258
Resumo: Luciferases are the enzymes responsible for bioluminescence. These enzymes catalyze the oxidation of luciferins, in which the energy is released in the form of light with high efficiency. The luciferases fireflies from North America, Europe and Japan are the most known and have been the most used for analytical porpouses, however, they have limited applicability in mammalian tissue bioimaging, because its structure is adapted to the production of yellow-green bioluminescence, which is partially absorbed by hemoglobin and bone tissues. The Phrixothrix hirtus railroadworm luciferase, cloned and characterized by our group, is the only one that naturally produces red light, has a high affinity for luciferin and a reasonable affinity for ATP, being potentially useful for analytical assays and pigmented samples. However, the wild-type luciferase has low quantum yield (15%) and thermoestability when compared to green light-emitting luciferases (40 to 60%). In order to better understand the relationship between the structure and activity and bioluminescence spectrum in this luciferase, and then to develop brighter and red- shifted luciferase, site-directed mutagenesis were performed in the active site and investigated the 6' amino analogues effect in the bioluminescence properties. The majority of luciferin binding site mutations impacted catalytic properties, including KM, both overall and oxidative constant and efficiency, but did not affect the spectrum significantly, indicating that these active site residues are important for luciferin binding and catalytic activity, but do not interact with the excited oxyluciferin during the light emission step. The only mutations that affected the spectra are located on the benzothiazolic side of the luciferin binding site. Thus, to better understand the influence and interectaions of this benzothiazolic side of the luciferin binding site in the bioluminescent properties, we used luciferin amino-analogues modified in 6'-position. The P. hirtus red-emitting luciferase had the highest bioluminescent activity and the most far red-shifted spectra with larger 6 'amino-analogs than other luciferases, indicating a larger cavity on the benzothiazolic side of the luciferin binding site. Modeling and site-directed mutagenesis, showed that the cavity created by the L348 residue is critical for red light emission. Finally, the combination of Phrixotrix red light-emitting luciferase and Pyrrolidinyl-luciferin analogue produced far red emission (645 nm) with high activity, promising for bioimaging use of hemoglobin cells and tissues.
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The luciferases fireflies from North America, Europe and Japan are the most known and have been the most used for analytical porpouses, however, they have limited applicability in mammalian tissue bioimaging, because its structure is adapted to the production of yellow-green bioluminescence, which is partially absorbed by hemoglobin and bone tissues. The Phrixothrix hirtus railroadworm luciferase, cloned and characterized by our group, is the only one that naturally produces red light, has a high affinity for luciferin and a reasonable affinity for ATP, being potentially useful for analytical assays and pigmented samples. However, the wild-type luciferase has low quantum yield (15%) and thermoestability when compared to green light-emitting luciferases (40 to 60%). In order to better understand the relationship between the structure and activity and bioluminescence spectrum in this luciferase, and then to develop brighter and red- shifted luciferase, site-directed mutagenesis were performed in the active site and investigated the 6' amino analogues effect in the bioluminescence properties. The majority of luciferin binding site mutations impacted catalytic properties, including KM, both overall and oxidative constant and efficiency, but did not affect the spectrum significantly, indicating that these active site residues are important for luciferin binding and catalytic activity, but do not interact with the excited oxyluciferin during the light emission step. The only mutations that affected the spectra are located on the benzothiazolic side of the luciferin binding site. Thus, to better understand the influence and interectaions of this benzothiazolic side of the luciferin binding site in the bioluminescent properties, we used luciferin amino-analogues modified in 6'-position. The P. hirtus red-emitting luciferase had the highest bioluminescent activity and the most far red-shifted spectra with larger 6 'amino-analogs than other luciferases, indicating a larger cavity on the benzothiazolic side of the luciferin binding site. Modeling and site-directed mutagenesis, showed that the cavity created by the L348 residue is critical for red light emission. Finally, the combination of Phrixotrix red light-emitting luciferase and Pyrrolidinyl-luciferin analogue produced far red emission (645 nm) with high activity, promising for bioimaging use of hemoglobin cells and tissues.As luciferases são as enzimas responsáveis pela bioluminescência. Essas enzimas catalisam a oxidação de luciferinas, nas quais a energia é liberada na forma de luz com alta eficiência. As luciferases oriundas de vagalumes norte-americano, europeu e japonês são as mais conhecidas e têm sido as mais utilizadas para fins analíticos, entretanto, possuem aplicabilidade limitada em bioimagem de tecidos de mamíferos, pois sua estrutura está adaptada à produção de bioluminescência de cor verde-amarelada, que é parcialmente absorvida pela hemoglobina e por tecidos ósseos. A luciferase da larva-trenzinho Phrixothrix hirtus, clonada e caracterizada por nosso grupo, é a única que produz naturalmente luz vermelha, e possui alta afinidade para luciferina e razoável afinidade para o ATP, sendo potencialmente útil para ensaios analíticos e amostras pigmentadas. Porém, esta enzima em seu estado selvagem tem baixo rendimento quântico (15%) e termoestabilidade quando comparada com as luciferases emissoras de luz verde (40 a 60%). Com o intuito de compreender melhor a relação entre estrutura e atividade e espectro de bioluminescência, e então desenvolver luciferases mais brilhantes e com espectro deslocado para a o vermelho distante para finalidades de bioimagem, foram realizadas mutagêneses sítio dirigidas no sítio-ativo, e investigado o efeito de 6´amino-análogos nas suas propriedades de bioluminescência. A maioria das mutações do sítio de ligação da luciferina impactaram as propriedades catalíticas, incluindo KM, constante e eficiência catalítica global e oxidativa, mas não afetaram de forma significativa o espectro, indicando que estes resíduos são importantes para a ligação da luciferina e atividade catalítica, mas não interagem com a a oxiluciferina excitada durante a etapa de emissão de luz. As únicas mutações que afetaram os espectros estão localizadas no lado benzotiazólico do sítio de ligação de luciferina. Assim, para entendermos melhor a influência e interações deste lado benzotiazólico do sítio de ligação da luciferina nas propriedades de bioluminescência, utilizamos amino-análogos de luciferina modificados na posição 6´. A luciferase vermelha P. hirtus teve maior atividade bioluminescente e espectros mais deslocados para o vermelho distante com amino-análogos mais volumosos na posição 6´em relação a outras luciferases, indicando uma cavidade maior no lado benzotiazólico do sítio de ligação da luciferina. Modelagem e mutagênese sítio-dirigida, mostraram que a cavidade criada pelo resíduo L348 é crítica para emissão de luz vermelha. Finalmente, a combinação da luciferase emissora de luz vermelha de Phrixotrix e o análogo pirrolidinil-luciferina mostrou-se uma combinação emissora de luz vermelha afastada (645 nm) com alta atividade bioluminescente, promissora para finalidades de uso em bioimagem de células e tecidos ricos em hemoglobina.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)FAPESP: 2015/06875-4porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Genética Evolutiva e Biologia Molecular - PPGGEvUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessPhrixothrix hirtusPropriedades catalíticasAmino-análogosOxiluciferinaSítio-ativoLuz vermelha distanteAmostras pigmentadasCatalytic propertiesAmino analoguesOxyluciferinActive siteFar red lightPigmented samplesCIENCIAS BIOLOGICAS::BIOQUIMICA::ENZIMOLOGIADeterminantes estruturais da bioluminescência vermelha e eficiência catalítica na luciferase de phrixothrix hirtus e seleção de combinação emissora de luz vermelha distante com 6´-amino-análogos de luciferinaStructural determinants of red bioluminescence and catalytic efficiency in phrixothrix hirtus luciferase and selection of far red light emitting combination with luciferine 6'-amino analogsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis60060031ed8a77-4308-4d3f-a8b7-f9d05c44b901reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTese versão final corrigida após defesa-Vanessa.pdfTese versão final corrigida após defesa-Vanessa.pdftese Vanessa R. 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