Mejoramiento de la termoestabilidad de enzimas mediante dinámica molecular y análisis de componentes principales

Abstract

La industria biotecnológica precisa del uso de enzimas optimizadas, en particular, de termoestabiliad elevada ya que procesos industriales como la elaboración de biocombustibles de segunda generación requieren temperaturas de operación por sobre las temperaturas óptimas para la mayoría de las enzimas. El diseño de nuevas enzimas modificando enzimas ya existentes puede ser un proceso extensivo en términos experimentales y analíticos y no asegura necesariamente un grado determinado de mejora. En el presente trabajo se desarrolló una nueva herramienta para el mejoramiento de la termoestabilidad de enzimas con énfasis en dinámica molecular. Se diseñó un procedimiento para simular el comportamiento de la estructura de la proteína estudiada a tres diferentes temperaturas, 300, 350 y 400K. Se elaboró un nuevo índice de flexibilidad usando análisis de componentes principales, el valor if, que a partir de la simulación, permite determinar las regiones más flexibles y candidatas a ser rigidizadas para mejorar la termoestabilidad. Las estructuras de las variantes diseñadas a partir de lo anterior se simularon para evaluar su grado de mejora en términos de la flexibilidad y compactación. El procedimiento se validó mediante su aplicación a las estructuras de las enzimas Cel7A de Talaromyces emersonii y Cel7B de Melanocarpus albomyces. Se recuperaron regiones identificadas en otro estudio como flexibles y se encontraron nuevas regiones para ser rigidizadas. De la aplicación del procedimiento a la enzima Cel72 se obtuvieron 3 nuevas enzimas de las cuales dos mostraron reducir la compactación respecto de la nativa y una mostró reducir la flexibilidad de la estructura. Se diseñó una estrategia para mejorar la termoestabiliad de enzimas, fue posible identificar regiones flexibles y se vieron cambios en la flexibilidad y compactación de variantes respecto de sus enzimas nativas. El procedimiento aquí descrito tiene el potencial de ser una herramienta rápida y de bajo costo, sin embargo, se requerirá de ensayos de termoestabilidad de las enzimas aquí propuestas para validar experimentalmente el procedimiento.