Modeling Substrate-Enzyme Interactions in Fungal Hydrolases

Ing. Natallia KULIK

Doctoral thesis

Abstract:

Výpočetní nástroje maji důležité místo v popisu biologických systémů. Vědci popisují a studují strukturu, konformační změny a vzájemné interakce mezi molekulami in silico, často jako levnější a rychlejší alternativu k biosyntéze. Simulované dynamické chování v čase molekulárních systémů poskytuje přímé informace o substrát-enzymových interakcích na atomární úrovni a je výkonným nástrojem pro identifikaci vlastností molekul důležitých pro enzymatické reakce. Tato studie je zaměřena na výpočetní zkoumání struktury a substrátové specifity hydroláz důležitých v biotransformacích. Výpočetní práce byla provedena v úzké spolupráci s experimentálními biochemiky z Univerzity Karlovy a Mikrobiologického ústavu Akademie věd České republiky. Hydrolázy mají velký potenciál v chemoenzymatické syntéze modifikovaných sacharidů s požadovanými vlastnostmi. Sacharidy, jako substráty hydroláz, jsou nezbytné pro mnohé organismy. Mají dvojí roli v regulaci imunitní odezvy: některé sacharidy (jako GlcNAc a ManNAc) se podílejí na aktivaci a některé (jako GalNAc) v potlačení imunity. Nedostatek glycosidás je spojován s řadou lyzozomálních poruch. Použili jsme metody homologického modelování, počítačového dokování a molekulárně dynamických (MD) simulací pro komplexní studium fungálních hydroláz: alfa-galaktosidázy/alfa-N-acetylgalaktosaminidázy z Aspergillus niger, beta-N-acetylhexosaminidázy (HEX) (z Aspergillus oryzae a Penicillium oxalicum) ; nitrilázy z Aspergillus niger. Naše strukturní studie jednoznačně prokázala, že enzym kódovaný genem varianty A (aglA) z A. niger je schopen akceptovat alfa-N-acetylgalaktosamin jako vlastní substrát a vysvětluje strukturní vlastnosti zodpovědné za enzymovou specifitu. Homologické modely HEXs z P. oxalicum a A. oryzae byly sestaveny a porovnány. V dalším kroku byly tyto modely použity ke studiu role proteinové glykosylace, disulfidických vazeb,dimerizace a interakce s přírodními a modifikovanými substráty. Model nitrilázy z Aspergillus niger umožnil strukturně analyzovat tvorbu multimeru.

Abstract:

Computational tools play an important role in the description of biological systems. Scientists describe and study structure, conformational changes and interactions between molecules in silico, often as a cheaper and faster alternative for biosynthesis. The simulated dynamic behavior in time of a molecular system is a straight forward source of information about substrate-enzyme interactions at the atomic level, and a powerful tool for the identification of molecular properties important in enzymatic reactions. Our study is focused on the computational investigation of structure and substrate specificity of hydrolases important in biotransformation. The computational work was performed in close collaboration with biochemists-experimentalists from Charles University and the Microbiological Institute of the Academy of Sciences of the Czech Republic. Hydrolases have great a potential in the chemoenzymatic synthesis of modified carbohydrates with regulated properties. Carbohydrates, as substrates of hydrolases, are important in normal functionality of many organisms. They have a dual role in immune response regulation: some carbohydrates (like GlcNAc and ManNAc) participate in activation and some (like GalNAc) in suppressing immunity; glycosidase deficiency is associated with a number of lysosomal disorders. We used homology modeling, computational docking and molecular dynamics simulation (MD) methods for the complex study of fungal hydrolases: alpha-galactosidase/alpha-N-acetylgalactosaminidase from Aspergillus niger; beta-N-acetylhexosaminidases (HEX) (from Aspergillus oryzae and Penicillium oxalicum); nitrilase from Aspergillus niger. Our structural study unambigously demonstrates that the enzyme encoded by genes variant A (aglA) from A. niger is able to accept alpha-N-acetylgalactosamine as its substrate and explains structural features responsible for its specificity. Homology models of HEXs from P. oxalicum and A. oryzae were built and compared. Homology models were used to study the role of protein glycosylation, disulfide bonds, dimer formation and interaction with natural and modified substrates. Model of nitrilase from Aspergillus niger helped to analyze multimer formation.

Keywords

Molecular, dynamics, simulation/homology, modeling/substrate, docking/fungal, hexosaminidase/Aspergillus, oryzae/Penicillium, oxalicum/nitrilase

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 16. 5. 2011

Identifikátor: 12621

Obhajoba závěrečné práce

• Vedúci: doc. RNDr. Rüdiger Hors Ettrich, Ph.D.

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Institute of Physical Biology

Doctoral programme / odbor:
Biophysics / Biophysics