Computer-Assisted Study of Enzymatic Dehalogenation of DDT

Bc. Jan Brezovský, Ph.D.

Master's thesis

Abstract:

1,1,1-trichloro-2,2,-bis(4-chlorfenyl)ethan (DDT) je vůbec prvním moderním pesticidem který byl rozsáhle užíván v zemědělství po celém světe. DDT je schopno dlouhodobě přetrvávat v životním prostředí. Dále dochází k jeho koncentraci v biologických systémech obzvláště v tělním tuku a působí jako toxin v řadě živočišných kmenů. U DDT dochází také k bioakumulace skrz potravní řetězec, pročež dosahuje nejvyšší koncentrace v tělech vyšších organizmů jako je člověk. Vysoké dávky DDT a jeho metabolitů byly detekovány v lidské tukové tkáni, krevní plazmě, játrech, mozku, placentě a dokonce i v mateřském mléku. Existuje několik studií naznačujících propojení mezi rakovinou a přítomností DDT v lidských tkáních. Avšak využití DDT pro jeho insekticidní vlastnosti je stále běžné v převážně tropických státech, za účelem kontroly komáry-přenášené malárie a tyfu. Proto patří odstranění DDT z půdy a vody k jedné z pro-ekologických priorit. V práci byl studován enzym, který je schopen katalyzovat degradaci DDT na 1,1 dichloro-2,2-bis(4-chlorfenyl)ethén. Reakční rychlost je však velmi nízká. Jeho aktivita s DDT může být vylepšena cílenými mutacemi navrženými pomocí racionální designu proteinů. Tato diplomová práce byla zaměřena na použití dvou technik racionálního designu: molekulárního dokingu a molekulární dynamiky, které byly využity k prozkoumání strukturního podkladu této enzymové reakce.

Abstract:

1,1,1-trichloro-2,2-bis(4-chlorophenyl)ethane (DDT ) is the first modern pesticide which has been extensively used in agriculture all over the world and is highly persistent in the environment. DDT concentrates in biological systems. It particularly concentrates in body fat, acts as a toxin across a certain range of phyla, and it bioaccumulates up the food chain, reaching its greatest concentrations in higher animals such as humans. High levels of DDT and its metabolites have been detected in human adipose tissues, blood plasma, liver, brain, placenta and even in breast milk. Additionally, there are several studies indicating connection between cancer and accumulation of DDT in human tissues. However, the insecticidal usage of DDT is still common primarily in tropical countries to control mosquito-borne malaria and typhus. The removal of DDT from water and soil is therefore a priority. An enzyme known to catalyze biochemical degradation of DDT to 1,1-dichloro-2,2-bis(4-chlorophenyl)ethylene was investigated within this diplom thesis. However the reaction rate is very low. Its activity towards DDT can be improved by site-directed mutations proposed by rational design. This diploma thesis focuses on the usage of two techniques of rational design molecular docking and molecular dynamics, which were employed to investigate structural basis of this enzymatic reaction.

Keywords

DDT, 1, 1-trichloro-2, 2-bis(4-chlorophenyl)ethane, pesticide, toxin, ecotoxicology, biodegradation, molecular modeling, computational chemistry, molecular docking, molecular dynamics, rational design, protein, protein engineering, dehalogenace, dehalogenation, pesticid, ekotoxikologie, biodegradace, molekulární doking, molekulární dynamika, výpočetní chemie, molekulární modelování, bílkovina, proteinové inženýrství

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 5. 2006

Thesis defence

• Date of defence: 19. 6. 2006
• Supervisor: prof. Mgr. Jiří Damborský, Dr.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Physics / Biophysics