Distal mutations enhance catalysis in designed enzymes by facilitating substrate binding and product release

基质(水族馆) 催化作用 化学 产品(数学) 底物特异性 生物化学 组合化学 立体化学 生物 数学 生态学 几何学
作者
Niayesh Zarifi,Pooja Asthana,Hiva Doustmohammadi,Cindy Klaus,Janet Sánchez,Serena E. Hunt,Rojo V. Rakotoharisoa,Sílvia Osuna,James S. Fraser,Roberto A. Chica
出处
期刊: [Cold Spring Harbor Laboratory]
标识
DOI:10.1101/2025.02.21.639315
摘要

The role of amino-acid residues distant from an enzyme's active site in facilitating the complete catalytic cycle-including substrate binding, chemical transformation, and product release-remains poorly understood. Here, we investigate how distal mutations promote the catalytic cycle by engineering mutants of three de novo Kemp eliminases containing either active-site or distal mutations identified through directed evolution. Kinetic analyses, X-ray crystallography, and molecular dynamics simulations reveal that while active-site mutations create preorganized catalytic sites for efficient chemical transformation, distal mutations enhance catalysis by facilitating substrate binding and product release through tuning structural dynamics to widen the active-site entrance and reorganize surface loops. These distinct contributions work synergistically to improve overall activity, demonstrating that a well-organized active site, though necessary, is not sufficient for optimal catalysis. Our findings reveal critical roles that distal residues play in shaping the catalytic cycle to enhance efficiency, yielding valuable insights for enzyme design.
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