Elucidating the role of conformational dynamics of Aspergillus niger Monoamine oxidase towards enzymatic chiral amines synthesis

Abstract

Enzymes have evolved through years until becoming great catalysts that present

high selectivity, specificity, and activity. Initially, enzymes were understood as

static (bio)molecular structures capable of accelerating chemical reactions by

many orders of magnitude. Notwithstanding, after decades of research, they

could be identified as dynamic entities, able to adopt different thermally

accessible conformations key for their catalytic function. The advantages that

enzymes present when it comes to increase the reaction rate of (bio)chemical

reactions can be used for producing industrially relevant compounds. In this

regard, enzymes present a limitation, in most cases they are not active enough

towards non-natural reactions or substrates relevant for industrial purposes.

Such limitation can be overcome by means of enzyme engineering, which

consists of introducing mutations in the enzyme sequence either using

computational or experimental protocols. Experimentally, one of the most used

techniques is Directed Evolution (DE), that performs random mutations along

the enzyme sequence, producing variants with several fold increase in activity

or selectivity of the targeted reaction. However, DE is based on the generation

of thousands of variants which result in a time-consuming process, without any

knowledge on how the enzyme structural and dynamic properties have been

modified. In this context, there is a need for more rational techniques that could

be used to generate new enzyme variants with improved activity and broader

substrate scope using less resources

Els enzims han evolucionat durant anys fins a convertir-se en grans catalitzadors

que presenten una alta selectivitat, especificitat i activitat. Inicialment, els enzims

es van entendre com a estructures moleculars estàtiques (bio) capaces

d’accelerar les reaccions químiques per molts ordres de magnitud. No obstant

això, després de dècades d’investigació, es podrien identificar com a entitats

dinàmiques, capaces d’adoptar diferents conformacions tèrmicament

accessibles per a la seva funció catalítica. Els avantatges que els enzims

presenten a l’hora d’augmentar la velocitat de les reaccions (bio)químiques es

poden utilitzar per produir compostos industrialment rellevants. En aquest

sentit, els enzims presenten una limitació, en la majoria dels casos no són prou

actius cap a reaccions o substrats no naturals, rellevants per a fins industrials.

Aquesta limitació es pot superar mitjançant enginyeria enzimàtica, que

consisteix a introduir mutacions en la seqüència enzimàtica, ja sigui mitjançant

protocols computacionals o experimentals. Experimentalment, una de les

tècniques més utilitzades és l’evolució dirigida (DE), que realitza mutacions

aleatòries al llarg de la seqüència enzimàtica, produint variants amb diversos

augment de l’activitat o selectivitat de la reacció dirigida. Tanmateix, DE es basa

en la generació de milers de variants que donen lloc a un procés que consumeix

temps, sense cap coneixement sobre com s’han modificat les propietats

estructurals i dinàmiques enzimàtiques. En aquest context, calen tècniques més

racionals que es puguin utilitzar per generar noves variants d’enzims amb una

activitat millorada i un àmbit de substrat més ampli mitjançant menys recursos