Metallopeptides and metalloproteins in biocatalysis: computational insights for rational design

Abstract

Aquesta tesi explora la relació entre l'estructura biomolecular i la funció catalítica en el context de la biocatàlisi mediada per metalls, combinant modelatge computacional multiescala amb validació experimental. L’objectiu general és desenvolupar eines predictives i coneixements mecanístics que donin suport al disseny racional tant de metal·lopèptids artificials com de metalloenzims naturals. La integració sinèrgica del modelatge teòric amb l’experimentació permet una iteració eficient en el desenvolupament i perfeccionament de metodologies de disseny. S’aborden dues línies de recerca complementàries: el disseny de novo de metal·lopèptids bioortogonals capaços de catalitzar reaccions abiòtiques en entorns biològics, i l’estudi mecanístic en profunditat d’enzims que contenen hemo i que duen a terme transformacions oxidatives naturals. En concret, es van dissenyar amb èxit dos esquelets peptídics basats en estructures de làmines β per coordinar complexos metàl·lics i catalitzar reaccions bioortogonals de despropargilació tan in vitro com in cellulo. La importància de la dinàmica conformacional en la funció enzimàtica es destaca mitjançant estudis detallats que aborden l’especificitat del substrat, l’alliberament del producte i la regeneració del cicle catalític. Aquestes estratègies de disseny racional també s’estenen a sistemes biomoleculars complexos, incloent-hi conjunts ADN–metal·lopèptid, contribuint al desenvolupament de marcs computacionals efectius per al modelatge d’interaccions metàl·liques. En conjunt, aquest treball fa avançar el camp del disseny computacional de biocatalitzadors i demostra el potencial dels enfocaments multiescala per afrontar reptes fonamentals en la metal·lobioquímica.

Esta tesis explora la relación entre la estructura biomolecular y la función catalítica en el contexto de la biocatálisis mediada por metales, combinando el modelado computacional multiescala con la validación experimental. El objetivo general es desarrollar herramientas predictivas y profundizar en conocimientos mecanísticos que respalden el diseño racional tanto de metalopéptidos artificiales como de metaloenzimas naturales. La integración de los modelos teórico con la experimentación permite una iteración eficiente en el desarrollo y perfeccionamiento de metodologías de diseño. Se abordan dos líneas de investigación principales: el diseño de novo de metalopéptidos bioortogonales capaces de catalizar reacciones en entornos biológicos, y el estudio mecanístico de enzimas dependientes del grupo hemo y que llevan a cabo transformaciones oxidativas naturales. En concreto, se diseñaron con éxito dos estructuras peptídicas basadas en láminas β para coordinar complejos metálicos y catalizar reacciones bioortogonales de depropargilación tanto in vitro como in cellulo. Se profundiza en la importancia de la dinámica conformacional en la función enzimática mediante estudios detallados sobre la especificidad del sustrato, la liberación del producto y la regeneración del ciclo catalítico. Estas estrategias de diseño racional se extienden además a sistemas biomoleculares complejos, incluidos los ensamblajes ADN–metalopéptido, contribuyendo al desarrollo de marcos computacionales eficaces para el modelado de interacciones metálicas. En conjunto, este trabajo impulsa el campo del diseño computacional de biocatalizadores y demuestra el potencial de los enfoques multiescala para abordar desafíos fundamentales en la metalobioquímica.

This thesis explores the relationship between biomolecular structure and catalytic function in the context of metal-mediated biocatalysis, combining multi-scale computational modelling with experimental validation. The overarching goal is to develop predictive tools and mechanistic insights that support the rational design of both artificial metallopeptides and natural metalloenzymes. A synergistic integration of theoretical modelling and experimental testing enables efficient iteration in the development and refinement of design methodologies. Two complementary research directions are pursued: the de novo design of bioorthogonal metallopeptides capable of catalyzing abiotic reactions in biological environments, and the in-depth mechanistic investigation of heme-containing enzymes that mediate natural oxidative transformations. Specifically, two β-sheet-based peptide scaffolds were successfully designed to coordinate metal complexes and catalyze bioorthogonal depropargylation reactions both in vitro and in cellulo. The importance of conformational dynamics in enzymatic function is highlighted by detailed studies addressing substrate specificity, product release, and catalytic cycle regeneration. These rational design approaches are further extended to complex biomolecular systems, including DNA–metallopeptide assemblies, contributing to the development of computational frameworks for effective metal interaction modelling. Overall, this work advances the field of computational biocatalyst design and demonstrates the potential of multiscale strategies to address fundamental challenges in metallobiochemistry.