Computational strategies for understanding the molecular basis of biochemical and biocatalytic processes

Abstract

Enzymes are molecules that play a crucial role in many biological and chemical processes. To understand how they work and how to design enzymes with specific functions, it is important to study their molecular structure and dynamics. However, it can be difficult to capture the transient nature of these processes, so combining experimental techniques with computational methods can provide an atomistic view to explain the molecular basis of biological processes.

This thesis focuses on using computational techniques, such as molecular dynamics simulations and quantum mechanics, to explore the molecular basis of biochemical and biocatalytic processes. The goal is to understand enzymatic properties such as allostery, cofactor specificity, and catalytic activity, and use this knowledge to design new enzyme variants.

The thesis is divided into three results chapters. In the first chapter (Chapter 4), the focus is on understanding the molecular basis of allosteric regulation in the enzyme Imidazole Glycerol Phosphate Synthase (IGPS). By characterizing the molecular details of the allosteric activation of IGPS in the ternary complex, it was possible to identify the hidden states relevant for IGPS catalytic activity. In the next results chapter (Chapter 5), we designed a computational protocol to unravel the molecular mechanism of the enantioselective N-H insertion in P411 enzyme variants. By exploring the molecular basis of this enzymatic transformation and elucidating the role of key mutations, it was possible to generate a biocatalytic platform for enantiodivergent C-N bond formation. In the last results chapter (Chapter 6), we rationalized the molecular basis of cofactor specificity in engineered formate dehydrogenase variants. By studying the kinetic efficiency with the non-natural NADP+ cofactor, specificity towards the non-natural NADP+ cofactor, and affinity towards the substrate formate, it was possible to understand how to design enzymes with specific cofactor preferences.

Overall, this thesis demonstrates the importance of understanding enzyme function at the molecular level in order to design enzyme variants with specific functions. The use of computational techniques allows for a more detailed understanding of enzymatic mechanisms and provides a valuable tool for designing novel enzymes with improved properties

Els enzims són molècules que tenen un paper crucial en molts processos biològics i químics. Per entendre com funcionen i com es poden dissenyar enzims amb funcions específiques, és important estudiar-ne l'estructura molecular i la seva dinàmica. Tanmateix, pot ser difícil captar la naturalesa transitòria dels processos enzimàtics, de manera que combinar tècniques experimentals amb mètodes computacionals pot proporcionar una visió atomística més detallada que permeti explicar les bases moleculars d’aquests processos biològics.

Aquesta tesi es centra en utilitzar tècniques computacionals, com ara simulacions de dinàmica molecular i mecànica quàntica, per explorar les bases moleculars de processos bioquímics i biocatalítics. L'objectiu és comprendre’n propietats enzimàtiques com l'al·losteria, l'especificitat envers cofactors, l'activitat catalítica, i finalment, utilitzar aquest coneixement per a dissenyar noves variants enzimàtiques.

La tesi està dividida en tres capítols de resultats. El primer capítol (Capítol 4), es centra en la comprensió de les bases moleculars de la regulació al·lostèrica en l'enzim Imidazol Glicerol Fosfat Sintasa (IGPS). El fet de poder caracteritzar els detalls moleculars de l'activació al·lostèrica de l’enzim IGPS al complex ternari, va permetre identificar els estats ocults rellevants per a l'activitat catalítica d’aquest enzim. En el següent capítol de resultats (Capítol 5), es dissenya un protocol computacional per elucidar el mecanisme molecular de la inserció enantioselectiva de N-H en variants de l'enzim P411. Explorant les bases moleculars d'aquesta transformació enzimàtica i dilucidant el paper de les mutacions clau, ha estat possible generar una plataforma biocatalítica enantiodivergent per a la formació d'enllaços C-N. Al darrer capítol de resultats (Capítol 6), es pretén racionalitzar les bases molecular de l'especificitat envers cofactors en noves variants de format deshidrogenasa (FDH). Mitjançant l'estudi de l'eficiència cinètica i l’especificitat envers el cofactor no-natural NADP+, i l'afinitat envers el substrat (format), s’ha pogut entendre com dissenyar enzims amb preferències específiques envers el cofactor.

En conjunt, aquesta tesi demostra la importància d'entendre la funció enzimàtica a nivell molecular per tal de dissenyar variants enzimàtiques amb funcions específiques. L'ús de tècniques computacionals permet una comprensió més detallada dels mecanismes enzimàtics i proporciona una valuosa eina per dissenyar nous enzims