Studium a inženýrství tunelů v proteinech

Bc. Robin Nemeth

Bachelor's thesis

Study and engineering of tunnels in proteins

Abstract:

Enzymy jsou proteiny, které katalyzují chemické reakce uplatnitelné v průmyslu při výrobě léčiv, biopaliv, výchozích látek pro organickou syntézu nebo při dekontaminaci životního prostředí. Aby enzymy odolaly náročným průmyslovým podmínkám a jejich použití bylo efektivní, musí být často upravovány metodami proteinového inženýrství. Aktivní místo, zodpovědné za katalýzu, je u mnoha enzymů zanořené v proteinu s omezeným přístupem k solventu, vytvářející tak ideální prostředí pro reakci. V takovém případě je propojené s okolním rozpouštědlem pomocí tunelu, který se stará o výměnu molekul substrátů, produktů a rozpouštědla. Ukázalo se, že tyto přístupové cesty jsou vhodným cílem pro mutagenezi k ovlivnění katalytických vlastností a stability enzymů. V této práci byl vyvinut nástroj, který usnadňuje návrh mutací cílených na aminokyseliny nacházející se v přístupových tunelech enzymů. Nástroj nazvaný Cavetta, kombinuje existující program CAVER pro identifikaci tunelů s výpočetním balíkem Rosetta k návrhu mutací a ohodnocováním jejich vlivu na stabilitu enzymu a strukturu tunelů. Funkčnost vyvinutého nástroje byla ověřena předchozí experimentální práci a následně byl použit pro návrh mutantního enzymu se zavřeným přístupovým tunelem.

Abstract:

Enzymes are proteins capable of catalyzing various chemical reactions important in the industrial processes for the synthesis of drugs, biofuels, basic building blocks for organic synthesis or decontamination of environmental pollutants. Their catalytic properties are routinely optimized using the methods of protein engineering, to withstand the rash industrial conditions and to increase the effectivity of the whole process. Many enzymes have their catalytic active site buried inside the protein core with limited access to the bulk solvent. In such a scenario, the active site is connected to the bulk solvent with a molecular tunnel enabling the exchange of the substrates, products and solvent molecules. Such access pathways were shown to influence the catalytic properties and stability of enzymes, and provide potent hot-spots for mutagenesis. In this thesis, a computational tool was developed to facilitate the process of designing mutations located in the enzyme tunnels. This tool, Cavetta, is combining existing software CAVER for tunnel identification with Rosetta used for designing the mutations and evaluating their influence on the enzyme stability and tunnel properties. The functionality of the developed tool was validated against existing experimental work and then used to design a mutant enzyme with closed molecular tunnel.

Keywords

proteinové inženýrství, molekulární tunely, Cavetta, Caver, protein engineernig, molecular tunnels

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 5. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 13. 6. 2017
• Supervisor: prof. Mgr. Jiří Damborský, Dr.

Masaryk University

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Biochemistry / Biochemistry