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Conformational Selection in Biocatalytic Plastic Degradation by PETase

化学 构象异构 基质(水族馆) 位阻效应 蛋白质工程 构象变化 酶催化 分子动力学 水解 构象集合 立体化学 计算化学 有机化学 分子 地质学 海洋学
作者
Boyang Guo,Sudarsana Reddy Vanga,Ximena Lopez‐Lorenzo,Patricia Saenz‐Méndez,Sara Rönnblad Ericsson,Yuan Fang,Xinchen Ye,Karen Schriever,Eva Bäckström,Antonino Biundo,Roman A. Zubarev,István Furó,Minna Hakkarainen,Per‐Olof Syrén
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (6): 3397-3409 被引量:86
标识
DOI:10.1021/acscatal.1c05548
摘要

Due to the steric effects imposed by bulky polymers, the formation of catalytically competent enzyme and substrate conformations is critical in the biodegradation of plastics. In poly(ethylene terephthalate) (PET), the backbone adopts different conformations, gauche and trans, coexisting to different extents in amorphous and crystalline regions. However, which conformation is susceptible to biodegradation and the extent of enzyme and substrate conformational changes required for expedient catalysis remain poorly understood. To overcome this obstacle, we utilized molecular dynamics simulations, docking, and enzyme engineering in concert with high-resolution microscopy imaging and solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) to demonstrate the importance of conformational selection in biocatalytic plastic hydrolysis. Our results demonstrate how single-amino acid substitutions in Ideonella sakaiensis PETase can alter its conformational landscape, significantly affecting the relative abundance of productive ground-state structures ready to bind discrete substrate conformers. We experimentally show how an enzyme binds to plastic and provide a model for key residues involved in the recognition of gauche and trans conformations supported by in silico simulations. We demonstrate how enzyme engineering can be used to create a trans-selective variant, resulting in higher activity when combined with an all-trans PET-derived oligomeric substrate, stemming from both increased accessibility and conformational preference. Our work cements the importance of matching enzyme and substrate conformations in plastic hydrolysis, and we show that also the noncanonical trans conformation in PET is conducive for degradation. Understanding the contribution of enzyme and substrate conformations to biocatalytic plastic degradation could facilitate the generation of designer enzymes with increased performance.
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