Perspectives on Computational Enzyme Modeling: From Mechanisms to Design and Drug Development

生化工程 计算机科学 变构调节 药物发现 计算模型 合理设计 纳米技术 计算生物学 化学 生物 工程类 生物化学 人工智能 材料科学
作者
Kwangho Nam,Yihan Shao,Dan Thomas Major,Magnus Wolf‐Watz
出处
期刊:ACS omega [American Chemical Society]
卷期号:9 (7): 7393-7412 被引量:39
标识
DOI:10.1021/acsomega.3c09084
摘要

Understanding enzyme mechanisms is essential for unraveling the complex molecular machinery of life. In this review, we survey the field of computational enzymology, highlighting key principles governing enzyme mechanisms and discussing ongoing challenges and promising advances. Over the years, computer simulations have become indispensable in the study of enzyme mechanisms, with the integration of experimental and computational exploration now established as a holistic approach to gain deep insights into enzymatic catalysis. Numerous studies have demonstrated the power of computer simulations in characterizing reaction pathways, transition states, substrate selectivity, product distribution, and dynamic conformational changes for various enzymes. Nevertheless, significant challenges remain in investigating the mechanisms of complex multistep reactions, large-scale conformational changes, and allosteric regulation. Beyond mechanistic studies, computational enzyme modeling has emerged as an essential tool for computer-aided enzyme design and the rational discovery of covalent drugs for targeted therapies. Overall, enzyme design/engineering and covalent drug development can greatly benefit from our understanding of the detailed mechanisms of enzymes, such as protein dynamics, entropy contributions, and allostery, as revealed by computational studies. Such a convergence of different research approaches is expected to continue, creating synergies in enzyme research. This review, by outlining the ever-expanding field of enzyme research, aims to provide guidance for future research directions and facilitate new developments in this important and evolving field.
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