Modelagem molecular da atividade da enzima GcoA sobre lignina

Resumo

A lignina é um biopolímero heterogêneo presente nas paredes celulares das plantas e desempenha um papel estrutural importante. Dada a sua abundância (o segundo biopolímero mais abundante na Terra), a lignina é a principal fonte de carbono aromático do planeta, o que destaca a oportunidade de aproveitar esta fonte renovável de produtos químicos valiosos. Os monômeros de lignina podem ser facilmente convertidos em compostos de alto valor - variando de alternativas a produtos químicos à base de petróleo até moléculas farmacêuticas - em muitos ambientes industriais. Porém, atualmente a grande quantidade de lignina gerada na agricultura e na indústria é simplesmente desperdiçada, devido à falta de estratégias para sua valorização. Assim, desenvolver abordagens para funcionalização química de monômeros de lignina é de extrema relevância para a criação de uma linha produtiva mais verde. Estudos recentes elucidaram muitos aspectos de uma enzima oxidativa de Amycolatopsis sp, denominada GcoA, que pertence à classe dos citocromos P450 e é capaz de demetilar os constituintes da lignina para gerar catecol, que pode ser posteriormente funcionalizado para valorizar a lignina. A presente proposta BEPE visa apoiar um estágio de doutorado de 12 meses com o Professor Samuel De Visser na Universidade de Manchester para realizar estudos sobre a atividade da GcoA em componentes de lignina. O Dr. De Visser é um conhecido cientista do Instituto de Biotecnologia de Manchester. O Grupo do Dr. De Visser ganhou destaque na área de citocromos P450, particularmente devido aos seus estudos fortes, relevantes e pioneiros baseados na Teoria Funcional da Densidade com muitas metaloenzimas, entre as quais está o GcoA. Propomos estudar e projetar variantes do GcoA que sejam mais seletivas para outros pequenos componentes e derivados da lignina que ainda não foram testados, como o guaetol. Também estudaremos os perfis de energia livre da reação de GcoA de tipo selvagem e os mutantes propostos usando técnicas clássicas e quânticas clássicas de MD, bem como abordagens quânticas completas baseadas em métodos DFT. Se o tempo permitir, consideramos a engenharia da GcoA para alargar seu sítio de ligação ao substrato, tornando-o capaz de comportar porções maiores de lignina. Para a engenharia do GcoA, inicialmente o local de ligação do substrato será minuciosamente examinado para procurar por resíduos que possam sofrer mutação. Esta etapa fundamental será guiada pela análise de conservação de resíduos e pelos resultados de trabalhos anteriores que redesenharam a GcoA. As mutações propostas no sítio ativo terão como objetivo criar contatos polares que estabilizem o estado de transição de um constituinte de lignina particular - elucidado pelos cálculos quânticos, aumentando assim a seletividade da enzima para um monômero particular. Além disso, técnicas avançadas que examinam o perfil de energia livre de ligação ao substrato serão usadas para comparar perfis de energia livre entre GcoA de tipo selvagem e mutante, bem como para pesquisar mutantes que melhor se liguem aos monômeros de lignina em questão e procurar por razões que conduzem a associação enzima-substrato. Se o tempo permitir, o alargamento do sítio de ligação da enzima será realizado de maneira semelhante: a partir da análise de conservação de resíduos, examinaremos as mutações que podem alargar a fenda de ligação sem grande perda de atividade. Finalmente, esta proposta BEPE está alinhada com o objetivo global de criar uma economia amiga do ambiente. O desenvolvimento de tecnologias que possibilitem a reinserção de subprodutos de resíduos na linha produtiva, reduzindo a quantidade de resíduos e as taxas de extração, é um meio promissor para o desenvolvimento de uma economia mais sustentável. Este projeto visa ajudar a atingir esse objetivo por meio da ciência de ponta, utilizando simulações computacionais de última geração que possam elucidar mecanismos de valorização da lignina. (AU)