CATALYZING GREEN CHEMISTRY: In silico protocols for the efficient discovery and design of industrial enzymes

Please click Additional Files below to see the full abstrac

In silico molecular modelling and design of heme-containing peroxidases for industrial applications

[eng] It is widely known that the development of modern chemistry and the consequent world industrialization have improved our quality of life to unimaginable levels. However, these advances have come with a high cost, causing environmental, health and societal concerns. As a consequence, during the past two decades a growing need has appeared to update the traditional chemistry industry processes towards greener and efficient alternatives. Along these lines, the use of enzymes has shown to be a suitable alternative to conventional industrial chemical processes. Enzymes are life-essential proteins that catalyze biochemical reaction and show several advantages over conventional chemical catalysts: they work under milder conditions, which decrease the energy requirements and consequently the capital costs of reactions; They show a high degree of selectivity and catalytic efficiency; and in addition, they are inherently non-hazardous, reusable and biodegradable catalysts, making them ideal environmentally friendly reagents. However, the main bottleneck for taking more benefit of enzymes in an industrial context is the lack of biocatalysts with the required selectivity, availability, and compatibility with industrial rigorous process conditions, and because of this, the development of enhanced enzymes by means of enzyme engineering is a main research field nowadays. Along these lines, in silico methodologies have progressively turned into highly valuable tools for the study and design of enzymatic systems, due to their unique potential to offer atomic and electronic-level insights into biocatalysts’ activity. Moreover, the continuous software and hardware improvements, and the cost-effectiveness and rapidness generally associated with these methods, make them very appealing for their application to the real problems that face the industry. Motivated by the advances on computational techniques and by the ease of obtaining valuable experimental data, which has been provided by our collaborators, the main goal of this thesis has been to understand the mechanisms of reaction of the heme-containing peroxidases under study (Auricularia auricula-judae DyP and Agrocybe aegerita UPO). Moreover, the acquired knowledge has been used to evaluate experimentally obtained enzyme variants and to guide the design of new ones towards desired properties. In this way, distinct computational techniques at different levels of accuracy (e.g. PELE, QM/MM or MD calculations) have been used to unravel the atomic and electronic mechanistic details under peroxidases mechanisms (e.g. long range electron transfer pathways, peroxidation and peroxygenation mechanisms) and to rationalize the molecular determinants that guide yield and selectivity in both natural occurring and experimentally designed peroxidases. Furthermore, the better understanding of the molecular principles under enzyme activity, along with the use of in silico semi-rational redesign methods, has enabled us to tailor UPO enzyme towards the enhanced production of high-value chemicals.[cat] A causa del desenvolupament de la química moderna i de la consegüent industrialització del món, la nostra qualitat de vida ha millorat a uns nivells que creiem inimaginables. Malauradament, tots aquests avenços han vingut acompanyats de repercussions mediambientals, socials i de salut. Per això, en les dues últimes dècades s'ha percebut una creixent necessitat de reemplaçar els processos químics tradicionals per alternatives més ecològiques i eficients. En aquest sentit, els enzims han demostrat ser una alternativa molt plausible als processos químics convencionals que s'usen avui en dia en la indústria. Els enzims són proteïnes essencials per a la vida que catalitzen reaccions bioquímiques, i l'ús dels quals aporta múltiples avantatges en comparació a les tècniques convencionals: permeten treballar en condicions suaus, fet que disminueix els requisits energètics i conseqüentment els costos de les reaccions a nivells industrials; en general són molt selectius i eficients; i a més a més, són inherentment reutilitzables, segurs i biodegradables, fet que els converteix en reactius respectuosos amb el medi ambient. Tot i això, les seves aplicacions a nivells industrials encara són limitades degut a la baixa tolerància a substrats, la poca disponibilitat d'enzims i a l'escassa resistència a les severes condicions industrials. Per aquesta raó, avui en dia el desenvolupament d'enzims millorats és un camp d'investigació important. Particularment, les tècniques in silico de modelització molecular s'estan convertint cada vegada més en eines clau per a l'estudi i el disseny de biocatalitzadors degut al seu potencial per a obtenir informació, tant a escala electrònica com molecular, sobre els mecanismes d'acció enzimàtics. A més a més, millores en el software i el hardware, i la rapidesa i bona relació cost-qualitat que mostren aquests mètodes, els fan molt atractius per a resoldre els problemes reals de la indústria. Motivada pels avenços en les tècniques computacionals i per la facilitat d'obtenir dades experimentals, que han estat proporcionades pels nostres col·laboradors, l'objectiu principal d'aquesta tesi ha sigut entendre els mecanismes de reacció de les peroxidases (en particular la DyP del fong Auricularia aurícula-judae i la UPO del fong Agrocybe aegerita). D'altra banda, els coneixements adquirits durant aquest procés de racionalització s'han utilitzat per avaluar variants millorats d'enzims obtinguts experimentalment i per guiar el disseny de nous biocatalitzadors cap a les propietats desitjades. Així doncs, s'han utilitzat diferents tècniques computacionals, a diferents nivells de precisió (p. ex. PELE, QM/MM o MD), per tal de comprendre els mecanismes electrònics i moleculars responsables de diferents mecanismes en les peroxidases (p. ex., mecanismes de transferència electrònica de llarg abast, peroxidació o peroxigenació), i racionalitzar els determinants moleculars que guien el rendiment i la selectivitat tant en les peroxidases naturals com en aquelles millorades experimentalment. A banda d'això, la millor comprensió dels principis moleculars responsables de l'activitat enzimàtica, juntament amb l'ús de mètodes computacionals per al disseny d'enzims, ens ha permès adaptar l'enzim UPO cap a la producció de productes químics valuosos

In silico molecular modelling and design of heme-containing peroxidases for industrial applications

It is widely known that the development of modern chemistry and the consequent world industrialization have improved our quality of life to unimaginable levels. However, these advances have come with a high cost, causing environmental, health and societal concerns. As a consequence, during the past two decades a growing need has appeared to update the traditional chemistry industry processes towards greener and efficient alternatives. Along these lines, the use of enzymes has shown to be a suitable alternative to conventional industrial chemical processes. Enzymes are life-essential proteins that catalyze biochemical reaction and show several advantages over conventional chemical catalysts: they work under milder conditions, which decrease the energy requirements and consequently the capital costs of reactions; They show a high degree of selectivity and catalytic efficiency; and in addition, they are inherently non-hazardous, reusable and biodegradable catalysts, making them ideal environmentally friendly reagents. However, the main bottleneck for taking more benefit of enzymes in an industrial context is the lack of biocatalysts with the required selectivity, availability, and compatibility with industrial rigorous process conditions, and because of this, the development of enhanced enzymes by means of enzyme engineering is a main research field nowadays. Along these lines, in silico methodologies have progressively turned into highly valuable tools for the study and design of enzymatic systems, due to their unique potential to offer atomic and electronic-level insights into biocatalysts’ activity. Moreover, the continuous software and hardware improvements, and the cost-effectiveness and rapidness generally associated with these methods, make them very appealing for their application to the real problems that face the industry. Motivated by the advances on computational techniques and by the ease of obtaining valuable experimental data, which has been provided by our collaborators, the main goal of this thesis has been to understand the mechanisms of reaction of the heme-containing peroxidases under study (Auricularia auricula-judae DyP and Agrocybe aegerita UPO). Moreover, the acquired knowledge has been used to evaluate experimentally obtained enzyme variants and to guide the design of new ones towards desired properties. In this way, distinct computational techniques at different levels of accuracy (e.g. PELE, QM/MM or MD calculations) have been used to unravel the atomic and electronic mechanistic details under peroxidases mechanisms (e.g. long range electron transfer pathways, peroxidation and peroxygenation mechanisms) and to rationalize the molecular determinants that guide yield and selectivity in both natural occurring and experimentally designed peroxidases. Furthermore, the better understanding of the molecular principles under enzyme activity, along with the use of in silico semi-rational redesign methods, has enabled us to tailor UPO enzyme towards the enhanced production of high-value chemicals.A causa del desenvolupament de la química moderna i de la consegüent industrialització del món, la nostra qualitat de vida ha millorat a uns nivells que creiem inimaginables. Malauradament, tots aquests avenços han vingut acompanyats de repercussions mediambientals, socials i de salut. Per això, en les dues últimes dècades s'ha percebut una creixent necessitat de reemplaçar els processos químics tradicionals per alternatives més ecològiques i eficients. En aquest sentit, els enzims han demostrat ser una alternativa molt plausible als processos químics convencionals que s'usen avui en dia en la indústria. Els enzims són proteïnes essencials per a la vida que catalitzen reaccions bioquímiques, i l'ús dels quals aporta múltiples avantatges en comparació a les tècniques convencionals: permeten treballar en condicions suaus, fet que disminueix els requisits energètics i conseqüentment els costos de les reaccions a nivells industrials; en general són molt selectius i eficients; i a més a més, són inherentment reutilitzables, segurs i biodegradables, fet que els converteix en reactius respectuosos amb el medi ambient. Tot i això, les seves aplicacions a nivells industrials encara són limitades degut a la baixa tolerància a substrats, la poca disponibilitat d'enzims i a l'escassa resistència a les severes condicions industrials. Per aquesta raó, avui en dia el desenvolupament d'enzims millorats és un camp d'investigació important. Particularment, les tècniques in silico de modelització molecular s'estan convertint cada vegada més en eines clau per a l'estudi i el disseny de biocatalitzadors degut al seu potencial per a obtenir informació, tant a escala electrònica com molecular, sobre els mecanismes d'acció enzimàtics. A més a més, millores en el software i el hardware, i la rapidesa i bona relació cost-qualitat que mostren aquests mètodes, els fan molt atractius per a resoldre els problemes reals de la indústria. Motivada pels avenços en les tècniques computacionals i per la facilitat d'obtenir dades experimentals, que han estat proporcionades pels nostres col·laboradors, l'objectiu principal d'aquesta tesi ha sigut entendre els mecanismes de reacció de les peroxidases (en particular la DyP del fong Auricularia aurícula-judae i la UPO del fong Agrocybe aegerita). D'altra banda, els coneixements adquirits durant aquest procés de racionalització s'han utilitzat per avaluar variants millorats d'enzims obtinguts experimentalment i per guiar el disseny de nous biocatalitzadors cap a les propietats desitjades. Així doncs, s'han utilitzat diferents tècniques computacionals, a diferents nivells de precisió (p. ex. PELE, QM/MM o MD), per tal de comprendre els mecanismes electrònics i moleculars responsables de diferents mecanismes en les peroxidases (p. ex., mecanismes de transferència electrònica de llarg abast, peroxidació o peroxigenació), i racionalitzar els determinants moleculars que guien el rendiment i la selectivitat tant en les peroxidases naturals com en aquelles millorades experimentalment. A banda d'això, la millor comprensió dels principis moleculars responsables de l'activitat enzimàtica, juntament amb l'ús de mètodes computacionals per al disseny d'enzims, ens ha permès adaptar l'enzim UPO cap a la producció de productes químics valuosos

Synthesis of 1‐Naphthol by a Natural Peroxygenase engineered by Directed Evolution

This is the peer reviewed version of the following article, which has been published in final form at 10.1002/cbic.201500493. This article may be used for non-commercial purposes in accordance With Wiley-VCH Terms and Conditions for self-archivingThere is an increasing interest in enzymes that catalyze the hydroxylation of naphthalene under mild conditions and with minimal requirements. To address this challenge, an extracellular fungal aromatic peroxygenase with mono(per)oxygenase activity was engineered to convert naphthalene selectively into 1-naphthol. Mutant libraries constructed by random mutagenesis and DNA recombination were screened for peroxygenase activity on naphthalene together with quenching of the undesired peroxidative activity on 1-naphthol (one-electron oxidation). The resulting double mutant (G241D-R257K) obtained from this process was characterized biochemically and computationally. The conformational changes produced by directed evolution improved the substrate's catalytic position. Powered exclusively by catalytic concentrations of H2O2, this soluble and stable biocatalyst has a total turnover number of 50 000, with high regioselectivity (97 %) and reduced peroxidative activity.We thank Paloma Santos Moriano (ICP, CSIC, Spain) for assistance with the HPLC and LC/MS analysis, and Jesper Vind (Novozymes, Denmark) and Angel T. Martinez (CIB, CSIC, Spain) for helpful discussions. This work was supported by the European Commission projects Indox-FP7-KBBE-2013-7-613549 and Cost-Action CM1303-Systems Biocatalysis, and the National Projects Dewry [BIO201343407-R], Cambios [RTC-2014-1777-3] and OXYdesign [CTQ2013-48287-R].Peer ReviewedPostprint (author's final draft

How experiments and molecular simulations can help understand selective C25-hydroxylation of vitamin D by fungal peroxygenases

Postprint (published version

Asymmetric sulfoxidation by engineering the heme pocket of a dye-decolorizing peroxidase

The so-called dye-decolorizing peroxidases (DyPs) constitute a new family of proteins exhibiting remarkable stability. With the aim of providing them new catalytic activities of biotechnological interest, the heme pocket of one of the few DyPs fully characterized to date (from the fungus Auricularia auricula-judae) was redesigned based on the crystal structure available, and its potential for asymmetric sulfoxidation was evaluated. Chiral sulfoxides are important targets in organic synthesis and enzyme catalysis, due to a variety of applications. Interestingly, one of the DyP variants, F359G, is highly stereoselective in sulfoxidizing methylphenyl sulfide and methyl-p-tolyl sulfide (95–99% conversion, with up to 99% excess of the S enantiomer in short reaction times), while the parent DyP has no sulfoxidation activity, and the L357G variant produces both R and S enantiomers. The two variants were crystallized, and their crystal structures were used in molecular simulations to provide a rational explanation for the new catalytic activities. Protein energy landscape exploration (PELE) showed more favorable protein–substrate catalytic complexes for the above variants, with a considerable number of structures near the oxygen atom of the activated heme, which is incorporated into the substrates as shown in 18O-labeling experiments, and improved affinity with respect to the parent enzyme, explaining their sulfoxidation activity. Additional quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) calculations were performed to elucidate the high stereoselectivity observed for the F359G variant, which correlated with higher reactivity on the substrate molecules adopting pro-S poses at the active site. Similar computational analyses can help introduce/improve (stereoselective) sulfoxidation activity in related hemeproteins.This work was supported by the INDOX (KBBE-2013-7-613549) EU project and by the BIO2014-56388-R (NOESIS), BFU2014-55448-P and CTQ2013-48287-R projects of the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO). Pedro Merino (University of Zaragoza, Spain) is acknowledged for his suggestions on chiral HPLC analyses, and Alicia Prieto and Leonor Rodríguez (CIB, Madrid, Spain) for their help in GC-MS analyses. We cordially thank the staff at ID23-1 beamline (ESRF) and the BL13-XALOC beamline (ALBA). F. J. R.-D. acknowledges a MINECO Ramón & Cajal contract.Peer ReviewedPostprint (published version

Avaluació del sistema d'esquí nòrdic a Sant Joan de l'Erm

En aquest projecte s'avaluen els possibles impactes derivats de la pràctica de l'esquí nòrdic en l'àmbit d'estudi de Sant Joan de l'Erm, situat al Parc Natural de l'Alt Pirineu. A la zona d'estudi, aquesta és la principal activitat, i és per aquest motiu s'estudien tots els fluxos energètics derivats de la pràctica de l'esquí, alhora que s'analitza i diagnostica l'estat de qualitat ambiental de totes les infraestructures de la zona. Les eines utilitzades en aquest estudi han estat bàsicament dues. Primerament, s'avalua l'estat de la qualitat ambiental de les infraestructures de l'àmbit d'estudi, amb la utilització d'un informe d'avaluació ambiental, adaptat de l'informe d'avaluació del Distintiu de Qualitat Ambiental de la Generalitat de Catalunya. En segon terme, s'ha creat i emprat un treball de camp, que consta d'enquestes destinades als usuaris de la zona d'estudi, així com unes fitxes de camp, per tal de determinar l'estat de l'entorn natural de l'àmbit d'estudi, i analitzar la repercussió del transport dels usuaris.En el presente proyecto se evalúan los posibles impactos derivados de la práctica del esquí nórdico en el ámbito de Sant Joan de l'Erm, situado en el Parque Natural del Alto Pirineo. Así pues, en la zona de estudio, la anterior es la principal actividad, y por ello se estudian todos los flujos energéticos derivados de la práctica de la misma, así como también se analiza y diagnostica el estado de calidad ambiental de las infraestructuras de la zona. La metodología usada para redactar este estudio se constituye en dos fases. En primer lugar, se evalúa la calidad ambiental de las infraestructuras del ámbito de estudio, mediante una adaptación del informe de evaluación del Distintivo de Calidad Ambiental de la Generalitat de Cataluña. En segundo lugar, se ha diseñado un análisis basado en encuestas in situ destinadas a los usuarios y se han elaborado unas fichas de flora y fauna extraídas del trabajo de campo. A partir de estos datos y con la información referente a los consumos del sistema de estudio, se determinará el balance energético del sistema y el estado de su entorno natural.This project aims to determine the possible impacts derived from the practise of Nordic skiing on the area of study of Sant Joan de l'Erm, located on the "Parc Natural de l'Alt Pirineu". Nordic skiing is the main activity at this location and, because of that, all energy flows are to be analysed as well as the environmental quality of all infrastructures. The methodology used in this project comprises two separates steps. Firstly, the assessment of environmental quality of all infrastructure in the area through a variation of the evaluation report Distintivo de Calidad Ambiental de la Generalitat de Cataluña. Secondly, the planning of an analysis based on in-situ surveys addressed to users and the preparation of a variety of flora and fauna fact sheets in accordance to the field work results. With all that data and the information regarding the consumption levels within the system (object of study), the energy balance and the actual state of its natural environment will be determined

Molecular determinants for selective C 25-hydroxylation of vitamins D 2 and D 3 by fungal peroxygenases

Hydroxylation of vitamin D by Agrocybe aegerita and Coprinopsis cinerea peroxygenases was investigated in a combined experimental and computational study. 25-Monohydroxylated vitamin D3 (cholecalciferol) and D2 (ergocalciferol), compounds of high interest in human health and animal feeding, can be obtained through reaction with both fungal enzymes. Differences in conversion rates and regioselectivity were nevertheless observed, and, to rationalize the results, diffusion of D2 and D3 on the molecular structure of the two enzymes was performed with PELE software. In good agreement with experimental conversion yields, simulations indicate more favorable energy profiles for the substrates’ entrance in C. cinerea than for A. aegerita enzyme. Furthermore, GC-MS analyses show that while a full regioselective conversion into the active C25 form is catalyzed by C. cinerea peroxygenase for D2 and D3, A. aegerita yielded a mixture of the hydroxylated D3 products. From the molecular simulations, relative distance distributions between the haem compound I oxygen and H24/H25 atoms (hydrogens on C24 and C25 respectively) were plotted. Results show large populations for O-H25 distances below 3 Å for D2 and D3 in C. cinerea in accord with the high reactivity observed for this enzyme. In A. aegerita, however, cholecalciferol has similar populations (below 3 Å) for O-H25 and O-H24 which can justify the small degree of hydroxylation observed in C24. In the case of ergocalciferol, due to the bulky methyl group in position C24, very few structures are found with O-H24 distances below 3 Å and thus, as expected, reaction was not observed in this position.This work was supported by the INDOX (KBBE-2013-7-613549) and PELE (ERC-2009-Adg 25027) EU projects, and by the BIO2011-26694 and CTQ2013-48287 projects of the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

El barranc de la Boella de la Canonja (Tarragonès) revisitat en la intervenció arqueològica preventiva de l'any 2007

El barranc de la Boella de la Canonja és un jaciment descobert en el primer terç del segle XX. Cinquanta anys després de la seva descoberta, la publicació d'aquest jaciment pels senyors R. Capdevila i S. Vilaseca va permetre actualitzar l'escàs coneixement de la bioestratigrafia del quaternari del Camp de Tarragona (Vilaseca, 1973). Tal com assenyala el mateix S. Vilaseca, la presència de fòssils de mamífers en el barranc va ser donada a conèixer per J. R. Bataller en la memòria explicativa del segon mapa geològic del full 473 de l'IGME corresponent a Tarragona (Bataller, 1935). El mateix S. Vilaseca apunta altres descobertes de mamífers ressenyades en el Camp de Tarragona, com la nota de Faura i Sans sobre un fragment de molar de proboscidi que Harlé determinaria com Elephas meridionalis el mateix any (Faura i Sans, 1920; Harlé, 1920). Aquesta resta va ser enviada per A. Romaní, aleshores director del Museu Balaguer de Vilanova i la Geltrú, a qui li van fer arribar des d'unes pedreres del Port de Tarragona. Els treballs geològics de M. Faura i Sans, J.R. Bataller i S. Vilaseca durant el primer quart del segle XX protagonitzaren el desenvolupament de la geologia, la paleontologia i la prehistòria en el marc del Servei del Mapa de la Mancomunitat de Catalunya