Elucidating the role of conformational dynamics of Aspergillus niger Monoamine oxidase towards enzymatic chiral amines synthesis

Abstract

Enzymes have evolved through years until becoming great catalysts that present high selectivity, specificity, and activity. Initially, enzymes were understood as static (bio)molecular structures capable of accelerating chemical reactions by many orders of magnitude. Notwithstanding, after decades of research, they could be identified as dynamic entities, able to adopt different thermally accessible conformations key for their catalytic function. The advantages that enzymes present when it comes to increase the reaction rate of (bio)chemical reactions can be used for producing industrially relevant compounds. In this regard, enzymes present a limitation, in most cases they are not active enough towards non-natural reactions or substrates relevant for industrial purposes. Such limitation can be overcome by means of enzyme engineering, which consists of introducing mutations in the enzyme sequence either using computational or experimental protocols. Experimentally, one of the most used techniques is Directed Evolution (DE), that performs random mutations along the enzyme sequence, producing variants with several fold increase in activity or selectivity of the targeted reaction. However, DE is based on the generation of thousands of variants which result in a time-consuming process, without any knowledge on how the enzyme structural and dynamic properties have been modified. In this context, there is a need for more rational techniques that could be used to generate new enzyme variants with improved activity and broader substrate scope using less resources

Els enzims han evolucionat durant anys fins a convertir-se en grans catalitzadors que presenten una alta selectivitat, especificitat i activitat. Inicialment, els enzims es van entendre com a estructures moleculars estàtiques (bio) capaces d’accelerar les reaccions químiques per molts ordres de magnitud. No obstant això, després de dècades d’investigació, es podrien identificar com a entitats dinàmiques, capaces d’adoptar diferents conformacions tèrmicament accessibles per a la seva funció catalítica. Els avantatges que els enzims presenten a l’hora d’augmentar la velocitat de les reaccions (bio)químiques es poden utilitzar per produir compostos industrialment rellevants. En aquest sentit, els enzims presenten una limitació, en la majoria dels casos no són prou actius cap a reaccions o substrats no naturals, rellevants per a fins industrials. Aquesta limitació es pot superar mitjançant enginyeria enzimàtica, que consisteix a introduir mutacions en la seqüència enzimàtica, ja sigui mitjançant protocols computacionals o experimentals. Experimentalment, una de les tècniques més utilitzades és l’evolució dirigida (DE), que realitza mutacions aleatòries al llarg de la seqüència enzimàtica, produint variants amb diversos augment de l’activitat o selectivitat de la reacció dirigida. Tanmateix, DE es basa en la generació de milers de variants que donen lloc a un procés que consumeix temps, sense cap coneixement sobre com s’han modificat les propietats estructurals i dinàmiques enzimàtiques. En aquest context, calen tècniques més racionals que es puguin utilitzar per generar noves variants d’enzims amb una activitat millorada i un àmbit de substrat més ampli mitjançant menys recursos