Modelagem molecular da atividade da enzima GcoA sobre lignina

• Processo: 21/10472-3
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de março de 2022
• Data de Término da vigência: 28 de fevereiro de 2023
• Área de conhecimento: Ciências Biológicas - Biofísica - Biofísica Molecular
• Pesquisador responsável: Munir Salomao Skaf
• Beneficiário: Artur Hermano Sampaio Dias
• Supervisor: Samuel de Visser
• Instituição Sede: Instituto de Química (IQ). Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Campinas , SP, Brasil
• Instituição Anfitriã: University of Manchester, Inglaterra
• Vinculado à bolsa: 19/17350-0 - Modelagem molecular de enzimas ativas sobre carboidratos, BP.DR
• Assunto(s): Química computacional Modelagem molecular Engenharia de biossistemas Lignina Biopolímeros
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: GcoA | lignin | Molecular Modelling | Química Computacional/Modelagem Molecular de Biosistemas

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)

Publicações científicas

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

DIAS, ARTUR HERMANO SAMPAIO; YADAV, ROLLY; MOKKAWES, THIRAKORN; KUMAR, ASHEESH; SKAF, MUNIR S.; SASTRI, CHIVUKULA, V; KUMAR, DEVESH; DE VISSER, SAM P.. Biotransformation of Bisphenol by Human Cytochrome P450 2C9 Enzymes: A Density Functional Theory Study. Inorganic Chemistry, v. N/A, p. 13-pg., 2023-01-18. (21/10472-3, 13/08293-7)