[論文レビュー] Multiscale Modelling of Lytic Polysaccharide Monooxygenases

Erik D. Hedegård, Ulf Ryde|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2016

Enzyme-mediated dye degradation被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、QM/MMシミュレーションを用いてリティック多糖類モノオキシゲナーゼ（LPMOs）の初期触媒段階を調査し、Cu(II)のCu(I)への還元およびO2の結合を焦点とする。その結果、第二球面に位置するグルタミン酸残基からの水素結合の安定化作用により、等圧的スーパオキシド錯体は軸性体よりも60 kJ/mol以上安定であることが判明した。これは、小規模なQMクラスターモデルによる先行研究の矛盾を解消し、最近の実験的仮説を支持するものである。

ABSTRACT

Lytic polysaccharide monooxygenase (LPMO) enzymes have attracted considerable attention due to their ability to enhance polysaccharide depolymerization, making them interesting in respect to production of biofuel from cellulose. The LPMOs are metalloenzymes that contain a mononuclear copper active site that can active dioxygen. However, many details of this activation are unclear, and have previously been investigated from a computational angle. Yet, these studies have either employed only molecular mechanics (MM), which are inaccurate for metal active sites, or they have described only the active site with quantum mechanics (QM) and neglected the effect of the protein. Here, we employ hybrid QM and MM (QM/MM) methods to investigate the first steps of the LPMO mechanism, which is reduction of of Cu(II) to Cu(I) and formation of a Cu(II)-superoxide complex. In the latter complex, the superoxide can bind either in an equatorial or an axial position. For both steps we obtain structures that are markedly different from previous suggestions, based on vacuum calculations. Our calculations show that the equatorial isomer of the superoxide complex is over 60 kJ/mol more stable than the axial isomer, being stabilized by interactions with a second-coordination-sphere Gln residue, showing a possible role for this residue. Coordination of superoxide in this manner is in agreement with recent experimental suggestions.

研究の動機と目的

• LPMOsの反応機構における矛盾を解消すること、特にCu–スーパオキシド中間体の構造と安定性を特定すること。
• 第二協動球圏、特にGln173の役割が触媒サイクル中の活性サイトの安定化に与える影響を調査すること。
• 量子力学と分子力学を統合することで、LPMO触媒の初期段階をより正確に記述すること。
• 金属サイトの幾何学的・安定性に及ぼすタンパク質環境の影響を無視した従来のQMクラスターモデルに疑問を呈すること。

提案手法

• LPMO活性サイトをモデル化するために、TPSS-D3関数とdef2-SV(P)基底関数を用いたハイブリッドQM/MM法を採用した。
• QM/MM最適化をCu(II)、Cu(I)、およびCu(II)–スーパオキシド状態に対して実施し、全タンパク質環境は点電荷で表現した。
• より高い精度を得るため、COSMO溶媒効果とdef2-TZVPP基底関数を用いて、最大628原子のQ.M.領域を用いた単一状態エネルギー計算を実施した。
• 中間体状態のエネルギーと幾何学的構造に及ぼす構造的緩和の影響を評価するために、緩和済みおよび固定された構造を両方用いた。
• タンパク質環境の影響が活性サイトの安定性に与える影響を評価するため、小規模なQMクラスターモデルと比較した。
• エネルギー差の妥当性を確認するため、代替関数（B3LYP-D3）と基底関数を用いて、主要結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LPMOsにおけるCu(II)–スーパオキシド錯体の最も安定な幾何学的配置は何か？それは等圧的か軸性か？
• RQ2 第二球面に位置するGln173は、スーパオキシド錯体の安定性にどのように寄与するか？
• RQ3 なぜ従来のQMクラスターモデルは、スーパオキシド体の安定性順序を正しく再現できないのか？
• RQ4 タンパク質環境の構造的緩和が、触媒サイクルのエネルギー状態に与える影響は何か？
• RQ5 タンパク質マトリックス、特に水素結合ネットワークを含めたものとして、Cu(I)およびCu(II)–スーパオキシド状態はどの程度安定化されるか？

主な発見

• 第二球面に位置するGln173残基からの有利な水素結合の結果、等圧的スーパオキシド錯体は軸性体よりも60 kJ/mol以上安定である。
• Gln173の側鎖は、活性サイトに位置するチロシン（Tyr175）およびCuに結合した水分子の両方と二重水素結合を形成することで、等圧的スーパオキシドを安定化する。
• Gln173のコンformation（NH2基がTyr175に向いている状態）は、水素結合ネットワークを破壊する別のコンformationよりも約30 kJ/mol安定である。
• タンパク質環境の構造的緩和は、Cu(I)およびCu(II)–スーパオキシド状態の幾何学的構造とエネルギーに顕著な影響を及ぼし、完全なタンパク質ダイナミクスの重要性を示している。
• 小規模なQMクラスターモデルでは、キーポイントとなるタンパク質相互作用を無視するため、スーパオキシド体の安定性を誤って予測してしまう。
• 本研究の結果は、最近のEPRおよびX線データと整合しており、反応的に重要な構造として等圧的スーパオキシド結合モードが支持されている。