Simulările moleculare arată cum forma unei enzime influențează recunoașterea moleculară
Enzimele sunt adesea descrise ca mașini moleculare care recunosc și transformă molecule specifice, dar nu sunt structuri rigide. Forma lor se poate modifica, influențând modul în care moleculele pătrund, interacționează și rămân în situsul activ. Pirimidin-nucleozid fosforilaza (PyNP) este o enzimă implicată în producția de elemente de bază ale acizilor nucleici, relevantă pentru proiectarea de medicamente anticancerigene, antivirale și antibacteriene și pentru sinteza de nucleozide artificiale. Baza moleculară a modului în care forma sa variabilă afectează recunoașterea moleculară a rămas însă neclară.
O echipă condusă de profesorul Akihiko Hatano și cercetătorul Kousei Takeshima, de la Cursul de Chimie și Biotehnologie din cadrul Departamentului de Știința și Chimia Materialelor, Facultatea de Inginerie, Institutul de Tehnologie Shibaura din Japonia, a studiat modul în care diferite forme ale PyNP din Bacillus subtilis influențează retenția liganzilor și preferința pentru zaharuri. Cercetarea a utilizat simulări de dinamica moleculară all-atom pe patru stări conformaționale, 13 sonde structurale și traiectorii de simulare totalizând 15,6 microsecunde. Rezultatele au fost publicate online în jurnalul ACS Omega.
Ani de zile, cercetătorii au folosit această enzimă pentru a sintetiza nucleozide artificiale și s-au întrebat de ce schimbarea zaharului poate modifica reacția. „Am dorit să înțelegem această întrebare din perspectiva mișcărilor la scară atomică pe care experimentele singure nu le pot dezvălui”, a declarat Hatano. „Aceasta ne-a condus la examinarea modului în care enzima și moleculele legate se comportă în diferite stări structurale.”
Cercetătorii au examinat mai întâi modul în care buzunarul situsului activ se modifică pe măsură ce proteina trece între diferite conformații. Au constatat că buzunarul se extinde de aproximativ 1,4 ori între starea cea mai închisă și cea mai deschisă. Simulările au relevat apoi o relație între forma enzimei și retenția liganzilor. În cadrul simulărilor, 75,6% dintre traiectoriile din grupul închis au reținut liganzii într-o stare legată, comparativ cu 55,1% în grupul deschis, indicând că forma enzimei influențează retenția liganzilor.
Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că derivații care conțin riboză și 2′-dezoxiriboză nu au prezentat o preferință universală. Preferința pentru zaharuri a depins atât de compusul individual, cât și de conformația enzimei. Au fost observate conformații distincte ale inelului de zahar: riboza a ocupat conformația Nord (C3′-endo) pentru 64,3% din timpul eșantionat, în timp ce 2′-dezoxiriboza a ocupat conformația Sud (C2′-endo) pentru 57,9%. Această diferență a fost cea mai pronunțată pentru compusul nesubstituit și a scăzut pe măsură ce substituentul din poziția 6 a devenit mai voluminos.
Un reziduu numit Tyr165 a apărut ca un „capac” mobil deasupra situsului activ, în special în structura de referință închisă. Eliminarea acestui reziduu în simulări suplimentare a redus retenția liganzilor, susținând la nivel computațional mecanismul propus al capacului. Totuși, cel mai puternic semnal pentru Tyr165 a provenit în principal dintr-o structură închisă aparținând unei specii înrudite, astfel încât este încă necesară confirmarea folosind o structură în stare închisă de la B. subtilis.
Descoperirile ar putea avea o valoare mai largă pentru cercetarea farmaceutică și biotehnologică. PyNP este folosită și pentru sinteza nucleozidelor marcate fluorescent și a acizilor nucleici marcați cu izotopi stabili. Înțelegerea modului în care forma enzimei afectează captarea moleculară ar putea ajuta cercetătorii să proiecteze inhibitori și rute eficiente de sinteză enzimatică, sprijinind totodată producția mai ecologică.
„Enzimele nu ar trebui privite ca structuri unice, statice, atunci când ne gândim la recunoașterea moleculară”, a declarat Hatano. „Rezultatele noastre arată că diferite conformații pot schimba modul în care compușii sunt reținuți și cum apar preferințele legate de zaharuri.”
Studiul indică necesitatea unor calcule și experimente viitoare pentru a determina cum se relatează aceste interacțiuni la etapele chimice. În ansamblu, cercetarea demonstrează cum examinarea mai multor conformații enzimatice prin simulări moleculare poate dezvălui comportamente de legare pe care o singură structură statică le-ar putea rata. Arătând că retenția liganzilor și preferința pentru zaharuri depind de identitatea moleculară și de forma enzimei, lucrarea oferă un cadru pentru recunoașterea dinamică a substratului și pentru viitoarea inginerie enzimatică, proiectarea de inhibitori și sinteza biocatalitică durabilă.
