Výpočetní studie reakčních mechanismů enzymatických reakcí

Bc. Daniel Uherek

Master's thesis

Computational Study of Enzymatic Reaction Mechanisms

Abstract:

Glykosyltransferázy jsou důležitou třídou enzymů, z nichž mnohé jsou zapojeny do závažných onemocnění. Katalyzují tvorbu nové glykosidické vazby mezi cukernou složkou a akceptorem, typicky dalším cukrem. Obvykle jsou glykosyltransferázy specifické pro substrát, což z nich činí vhodný cíl pro návrh nových léků. Nicméně přesné struktury mnoha glykosyltransferáz nejsou známy, což brzdí pokrok v navrhování možných inhibitorů. Tato omezení se vztahují i na galaktofuranosyltransferázu 1 (GlfT1) studovanou v této práci. V této práci prezentujeme využití struktury GlfT1 předpovězené programem AlphaFoldem k popisu jejího reakčního mechanismu. Připravili jsme ternární komplex GlfT1+GlcNAc-Rha+UDP-Galf pomocí simulovaného žíhání, které optimalizovalo jak pozice substrátů, tak i orientace postranních řetězců aminokyselinových zbytků. Získané komplexy byly použity v QM/MM simulaci za použití metadynamiky ke studiu reakčního mechanismu glykosylace. Zjistili jsme, že mechanismus úzce připomíná SN2 reakci. V budoucnu mohou prezentované výsledky sloužit jako dobrý výchozí bod pro podrobnější charakterizaci reakčního mechanismu. Dále je potřeba experimentální validace mechanismu, zejména ověření obecné báze, která je pro reakci zásadní.

Abstract:

Glycosyltransferases are an important class of enzymes, many of which are involved in serious diseases. They catalyse the formation of a new glycosidic linkage between a sugar moiety and an acceptor, typically another sugar. Usually, glycosyltransferases are substrate-specific, which makes them suitable targets for the design of new drugs. However, exact structures are unknown for many glycosyltransferases, which hin-ders the progress in designing potential inhibitors. These limitations apply to the galactofuranosyltransferase 1 (GlfT1) studied in this work. Here, we show how the GlfT1 structure predicted by AlphaFold can be used to provide an understanding of its reaction mechanism. We prepared ternary complex GlfT1+GlcNAc-Rha+UDP-Galf employing simulated annealing that optimized both the substrate positions and side-chain orientations. Obtained complexes were used in QM/MM metadynamics simulation to study the reaction mechanism of glycosylation. We found that the mechanism closely resembles the SN2 reaction. In the future, presented results can serve as a good starting point for a more detailed characterization of the reaction mechanism. Additionally, experimental validation of the mechanism is needed, especially to designate a general base, which is crucial for the reaction to proceed.

Keywords

glykosyltransferázy, galaktofuranosyltransferáza 1, Mycobacterium tuberculosis, reakční mechanismus, QM/MM, molekulové modelování, molekulové simulace, tranzitní stav, simulované žíhání, výpočty volných energií, glycosyltransferases, galactofuranosyltransferase GlfT1, reaction mechanism, molecular modelling, molecular simulations, transition state, simulated annealing, free energy calculations

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 5. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 27. 6. 2024
• Supervisor: RNDr. Petr Kulhánek, Ph.D.
• Reader: Mgr. Stanislav Kozmon, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Chemistry / Organic Chemistry