[논문 리뷰] Multiscale Modelling of Lytic Polysaccharide Monooxygenases

Erik D. Hedegård, Ulf Ryde|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 16.

Enzyme-mediated dye degradation인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 리틱 폴리사카라이드 모노옥시게나스(LPMOs)의 초기 촉매 단계를 조사하기 위해 QM/MM 시뮬레이션을 활용한다. 주로 Cu(II)의 Cu(I)로의 환원과 산소 결합을 중심으로 다루며, 2차 coordination sphere의 Gln 잔기로부터의 수소결합에 의해 등방성 초산화물 복합체가 축합성 이성체보다 60 kJ/mol 이상 안정하다는 점을 규명한다. 이는 이전의 작은 QM 클러스터 모델에서의 모순을 해결하고 최근의 실험적 제안을 지지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• LPMOs의 기전에서 발생하는 모순, 특히 Cu-초산화물 중간체의 구조와 안정성 문제를 해결하기 위해.
• 특히 Gln173를 포함한 제2좌표계의 역할이 촉매 작용 중 활성 부위를 어떻게 안정화하는지 조사하기 위해.
• 양자역학과 분자역학를 융합하여 LPMO 촉매의 初기 단계를 더 정확하게 기술하기 위해.
• 금속 부위의 기하학적 구조와 안정성에 영향을 미치는 단백질 환경을 간과한 이전의 QM-클러스터 모델에 도전하기 위해.

제안 방법

• LPMO 활성 부위를 모델링하기 위해 TPSS-D3 함수와 def2-SV(P) 기저집합을 사용한 하이브리드 QM/MM 방법을 적용하였다.
• 포인트 전하로 전체 단백질 환경을 표현한 상태에서 Cu(II), Cu(I), 그리고 Cu(II)-초산화물 상태의 QM/MM 최적화를 수행하였다.
• 더 높은 정확도를 확보하기 위해, 최대 628개 원자를 포함하는 더 큰 QM 영역과 COSMO 용매 모델, def2-TZVPP 기저집합을 사용한 단일점 에너지 계산을 수행하였다.
• 에너지 및 기하학적 변화에 대한 영향을 평가하기 위해 중간체 상태에 대해 유연한 구조와 고정된 구조를 모두 사용하였다.
• 단백질 환경의 영향을 평가하기 위해 작은 QM-클러스터 모델과의 비교를 수행하였다.
• 에너지 차이의 정확성을 보장하기 위해 B3LYP-D3 함수와 다른 기저집합을 사용한 대체 계산을 수행하여 결과의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LPMOs에서 Cu(II)-초산화물 복합체의 가장 안정한 기하학적 구조는 무엇이며, 이는 등방성인가 축방향인가?
• RQ2 제2좌표계 잔기인 Gln173은 초산화물 복합체의 안정성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 왜 이전의 QM-클러스터 모델은 초산화물 이성체의 안정성 순서를 정확히 재현하지 못하는가?
• RQ4 단백질 환경의 구조적 유연성은 촉매 사이클의 계산된 에너지 지형에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 수소결합 네트워크를 포함한 단백질 매트릭스는 Cu(I) 및 Cu(II)-초산화물 상태를 어느 정도 안정화하는가?

주요 결과

• Gln173 잔기의 유리한 수소결합으로 인해 등방성 초산화물 복합체는 축방향 이성체보다 60 kJ/mol 이상 안정하다.
• Gln173의 측쇄는 활성 부위의 티로신(Tyr175)과 Cu에 결합된 물 분자 양쪽에 수소결합을 형성함으로써 등방성 초산화물 복합체를 안정화시킨다.
• Tyr175 쪽으로 NH2 기능이 향하는 Gln173의 구조적 형태는 수소결합 네트워크를 방해하는 대체 형태보다 약 30 kJ/mol 더 유리하다.
• 단백질 환경의 구조적 유연성은 Cu(I) 및 Cu(II)-초산화물 상태의 기하학적 구조와 에너지에 상당한 영향을 미치며, 전체 단백질의 동역학을 고려하는 것이 중요하다는 점을 입증한다.
• 작은 QM-클러스터 모델은 핵심적인 단백질 상호작용을 간과하기 때문에 초산화물 이성체 안정성의 잘못된 예측을 초래한다.
• 결과는 최근의 EPR 및 X선 회절 실험 데이터와 일치하며, 등방성 초산화물 결합 방식이 촉매적으로 중요한 구조임을 지지한다.