Uso de descritores químico-quânticos como etapa de pós-processamento do protocolo de redesenho de enzimas

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Farias, Wenison Marrone Souza
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB
Texto Completo: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/26382
Resumo: In a constant search for the reduction of energy consumed, the use of catalysts has developed a lot, among which enzymes are the ones that have the highest performance in a homogeneous environment. In search of these catalysts for industrial reactions, a wide range of theoretical studies focused on enzyme development have been developed, such as the Rosetta enzymatic design protocol, which promotes mutations in protein structures and seeks to create or improve the reactions that it catalyzes. In this study, we try to improve this protocol, presenting improvements in the selection of probable structures with catalytic capacity and thus propose an additional step to the design protocol based on the post-processing of the enzymesubstrate complex by the use of enzyme-binding enthalpy (ΔHbinding) and reactivity descriptors. Thus, we developed a method that comprises using the structures designed by Rosetta and re-ranking them by performing quantum chemical calculations of ΔHbinding through the semiempirical Hamiltonian PM7 considering solation effect (COSMO model) and the MOZYME algorithm. Additionally, from the wave function of the enzymes, reactivity descriptors were calculated by using the frozen orbitals approximation considering molecular orbitals near gap HOMO-LUMO as a band, BD, or calculating its weighted formulation, EW. To validate this method, we sought the literature, structures designed by Rosetta with their kinetic characterization performed. As a result, by using the calculation of ΔHbinding, it was possible to improve the ranking, previously ranked by rosetta’s score. Thus improving for elimination reaction of Kemp 17 positions and for the reaction of Diels-Alder leaving in the top 10 places. Regarding the reactivity descriptors, for the reaction of Kemp, it was possible to observe that the change of only one residue in the supleKEstructure59 in relation to the structure that presented the highest catalytic capacity, nativeKE59, caused the NAS property to move away from the ligand, thus indicating the catalytic inactivity of the supleKE structure59. Therefore, the combination of these two approaches contributed to the ranking of better structures and, among them, aided to select those that have their NAS and EAS quantities located at the enzymes’ active site.
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In this study, we try to improve this protocol, presenting improvements in the selection of probable structures with catalytic capacity and thus propose an additional step to the design protocol based on the post-processing of the enzymesubstrate complex by the use of enzyme-binding enthalpy (ΔHbinding) and reactivity descriptors. Thus, we developed a method that comprises using the structures designed by Rosetta and re-ranking them by performing quantum chemical calculations of ΔHbinding through the semiempirical Hamiltonian PM7 considering solation effect (COSMO model) and the MOZYME algorithm. Additionally, from the wave function of the enzymes, reactivity descriptors were calculated by using the frozen orbitals approximation considering molecular orbitals near gap HOMO-LUMO as a band, BD, or calculating its weighted formulation, EW. To validate this method, we sought the literature, structures designed by Rosetta with their kinetic characterization performed. As a result, by using the calculation of ΔHbinding, it was possible to improve the ranking, previously ranked by rosetta’s score. Thus improving for elimination reaction of Kemp 17 positions and for the reaction of Diels-Alder leaving in the top 10 places. Regarding the reactivity descriptors, for the reaction of Kemp, it was possible to observe that the change of only one residue in the supleKEstructure59 in relation to the structure that presented the highest catalytic capacity, nativeKE59, caused the NAS property to move away from the ligand, thus indicating the catalytic inactivity of the supleKE structure59. Therefore, the combination of these two approaches contributed to the ranking of better structures and, among them, aided to select those that have their NAS and EAS quantities located at the enzymes’ active site.Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPqNa busca constante pela redução da energia consumida em processos na indústria, o uso de catalisadores tem se desenvolvido muito, dentre os quais, as enzimas são os que possuem maior performance nesse sentido em meios homogêneos. Em busca desses catalisadores para reações industriais, uma ampla gama de estudos teóricos focado no desenvolvimento de enzimas veem sendo conduzidos, como o protocolo de design enzimático Rosetta, que promovendo mutações em estruturas proteicas buscam criar ou melhorar as reações por elas catalisadas. Nessa dissertação, buscamos contribuir para o melhoramento desse protocolo, pois, o mesmo ainda carece de aperfeiçoamentos na etapa de seleção das prováveis estruturas com capacidade catal ítica. Com isso em mente, propomos uma etapa adicional ao protocolo de design baseado no pós-processamento do complexo enzima-substrato pelo uso de entalpia de ligação enzima-ligante (ΔHbinding) e descritores químico-quânticos de reatividade. Desse modo, desenvolvemos uma metodologia que consiste em, após obter as estruturas redesenhadas pelo Rosetta, realizar cálculos quânticos single-point utilizando o Hamiltoniano semiempírico, PM7, com efeito de solvatação (modelo COSMO) e o algoritmo de escalonamento linear MOZYME, obtendo, assim, a entalpia de ligação enzima-ligante. Em seguida, após obter a função de onda da enzima, são calculados os descritores de reatividade pela aproximação dos orbitais congelados além de considerar o gap HOMO-LUMO como uma banda, BD, calculando também a sua forma ponderada, EW, através do programa PRIMoRDiA. Para validar essa metodologia buscou-se na literatura, estruturas redesenhadas pelo Rosetta e que possuiam dados de ensaios enzimáticos disponíveis. Como resultado, ao utilizar a entalpia de ligação calculada de uma série de estruturas obtidas pelo protocolo Rosetta, conseguiu-se melhorar a classificação, antes ranqueada pela pontuação do Rosetta. Desse modo, melhorando para reação de eliminação de Kemp 17 colocações e para a reação de Diels-Alder deixando entre as dez melhores colocações. Com relação aos descritores de reatividade, para a reação de Kemp foi possível observar que a mudança de apenas um resíduo, na estrutura supleKE59, em relação à estrutura que apresentou maior capacidade catalítica, nativeKE59, fez com que a propriedade NAS (Nucleophilic Attack Susceptibility) se afaste do ligante, desse modo, indicando a inatividade catal ítica da estrutura supleKE59. Portanto, a combinação dessas duas abordagens pode auxiliar no ranqueamento de estruturas melhores e, dentre elas, ajudar a selecionar as que possuem suas propriedades NAS e EAS localizados próximas ao sítio-ativo.Universidade Federal da ParaíbaBrasilQuímicaPrograma de Pós-Graduação em QuímicaUFPBRocha, Gerd Bruno dahttp://lattes.cnpq.br/9404945858555096Farias, Wenison Marrone Souza2023-03-07T12:46:01Z2022-10-112023-03-07T12:46:01Z2022-07-28info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/26382porAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2023-05-22T12:34:08Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/26382Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2023-05-22T12:34:08Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false
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