Syntaza benzylobursztynianowa i inne enzymy dodające fumaran (FAE)
Wszystkie znane mikroorganizmy zdolne do beztlenowego metabolizowania toluenu rozpoczynają szlak metaboliczny od reakcji addycji grupy metylowej toluenu do fumaranu, w wyniku czego powstaje kwas (R)-benzylobursztynianowy. Ta nowa dla biochemii zasada jest możliwa dzięki katalitycznemu działaniu enzymu glicynowo rodnikowego - syntazy benzoilobursztynianowej (BSS). Głównym celem badań jest poznanie zależności między strukturą i funkcją enzymów z rodziny FAE. Aby go zrealizować prowadzimy mutacje wybranych reszt aminokwasowych w centrum aktywnym dużej podjednostki BSS oraz w centrach wiążących klastery Fe-S w małych podjednostkach. Reszty znajdujące się w centrum dużej podjednostki w oczywisty sposób są zaangażowane w wiązanie i rozróżnianie substratów, tj. zarówno toluenu jak i fumaranu, jak również w prowadzenie samej reakcji katalitycznej. Rola i znaczenie reszt w centrach małych podjednostek jak dotąd nie jest znana.
W ramach naszych badań zajujemy się również pracami nad rekombinowaną ekspresją i charakterystyką innych naturalnych enzymów i ich mutantów dodających fumaran, w szczególności enzymów aktywujących metylonaftalen, metylofenantren i alkany. Wielu z tych enzymów nie można badać w ich dzikiej formie, gdyż organizmy z których pochodzą wzrastają zbyt powoli aby umożliwić ich izolację.
Ponieważ opracowaliśmy system do rekombinowanej ekspresji genów BSS umożliwiający uzyskanie aktywnego enzymu, mamy zamiar przebadać również enzym aktywujący BSS, w celu opracowania metody aktywacji enzymów FAE in vitro. Chcemy również przeprowadzić szeroko zakrojone próby krystalizacji enzymów z rodziny FAE, tak aby poszerzyć bazę danych strukturalnych dla tych enzymów i dostarczyć punktu wyjścia do modelowania teoretycznego. Mamy nadzieje, że dzięki temu poszerzymy zakres reakcji oraz potencjalnych zastosowań enzymów FAE.
Od kilku już lat prowadzimy modelowanie mechanizmu reakcji katalizowanych przez FAE metodami chemii kwantowej równolegle z badaniami eksperymentalnymi. Badania te mają na celu uzyskanie jak najbardziej realistycznych modeli ich aktywności enzymatycznej. Na koniec zamierzamy uzyskać efektywny system cało-komórkowy produkujący rekombinowany aktywny enzym, który będzie zdolny do biotechnologicznej produkcji benzylobursztynianu oraz jego pochodnych. Produkty te mogą znaleźć w przysłości zastosowanie jako chiralne bloki budulcowe w syntezie związków organicznych i leków lub jako komponenty w poliestrowych bioplastikach.
Badania są finansowane przez współny program NCN/DFG Beethoven Life 2018/31/F/NZ1/01856 [2020-2023] "Struktura i funkcja enzymów glicynowo-rodnikowych katalizujących addycję do fumaranu: biochemia, modelowanie i zastosowanie (FAEREACTION)"
Lista publikacji:
-
I. Salii, M. Szaleniec, A. Alhaj Zein, D. Seyhan, A. Sekuła, K. Schühle, I. Kaplieva-Dudek, U. Linne, R. U. Meckenstock, J. Heider, "Determinants for Substrate Recognition in the Glycyl Radical Enzyme Benzylsuccinate Synthase Revealed by Targeted Mutagenesis", ACS Catalysis, 11 (2021) 3361-3370
-
J. Heider, M. Szaleniec, B.M. Martins, D. Seyhan, W. Buckel, B.T. Golding, "Structure and Function of Benzylsuccinate Synthase and Related Fumarate-Adding Glycyl Radical Enzymes", J. Mol. Microbiol. Biotechnol., 26 (2016) 29-44
-
M. Szaleniec, J. Heider, "Modeling of the Reaction Mechanism of Enzymatic Radical C–C Coupling by Benzylsuccinate Synthase", Int. J. Mol. Sci. , 17 (2016) article number 514
-
D. Seyhan, P. Friedrich, M. Szaleniec, M. Hilberg, W. Buckel, B. T. Golding, J. Heider, "Elucidating the Stereochemistry of Enzymatic Benzylsuccinate Synthesis with Chirally Labeled Toluene", Angew. Chem. Int. Ed., 5 (2016) 11664–11667
Fig. 1 Reakcje katalizowane przez BSS i inne enzymy dodające fumaran (FAE)