Abstract

Enzymes are potentially superior as catalysts for many industrial chemical processes because of their high specificity, selectivity, minimum energy requirement and environmental friendliness. However, many challenges remain in order to exploit fully the potential of industrial enzymes. The qualities which are needed are catalytic proficiency, availability in high quantities, low price, low product inhibition, and high activity and stability under process conditions. Directed evolution and rational design are the most common strategies to produce enzymes with the desired properties.

The TIM barrel is the most frequent and most versatile fold among naturally occurring enzymes. In all known TIM barrel enzymes, the catalytically active residues are located at one end of the barrel structure, while residues maintaining the stability of the fold are found on the opposite end of the barrel. This special architecture of the TIM barrel proteins makes it possible to change catalytic activity of the protein without compromising its stability, which is a perfect start for protein engineering studies.

In this research project, a monomeric triosephosphate isomerase (TIM) variant with an engineered binding groove (A-TIM) was created by using a rational design approach. The major aims of this work were (i) to find novel binders and (ii) characterize the new, bigger binding groove using X-ray crystallographic methods.

These studies have discovered that monomeric A-TIM can bind compounds completely different from the natural substrate. Studies on three different classes of binder molecules are reported: (i) true substrate analogues of wild type TIM, (ii) substrate analogues that have an extended hydrophobic tail, and (iii) more extended, phosphate containing substrate analogues. In addition to this, the A-TIM active site was shown to be competent.

In general these studies illustrate the importance of protein crystallography for characterizing the binding properties of enzyme variants being studied in enzyme discovery projects.

Tiivistelmä

Entsyymit voivat toimia ylivoimaisina katalyytteinä monissa kemianteollisuuden prosesseissa johtuen niiden hyvästä spesifisyydestä, valikoimiskyvystä, alhaisesta energiantarpeesta ja ympäristöystävällisyydestä. Näistä ominaisuuksista huolimatta entsyymien kaikkien mahdollisuuksien hyödyntämisen esteenä on monia haasteita. Tarvittavia ominaisuuksia ovat katalyyttinen tehokkuus, saatavuus suurina määrinä, alhainen hinta, alhainen tuoteinhibitio sekä korkea aktiivisuus ja stabiilisuus prosessiolosuhteissa.

TIM-tynnyrirakenne on yleisin ja monipuolisin proteiinien laskostumisrakenne luonnossa esiintyvissä entsyymeissä. Tässä rakenteessa katalyyttisesti aktiiviset aminohappotähteet ovat sijoittuneet tynnyrirakenteen toiselle puolelle, kun taas stabiilisuuden kannalta tärkeät aminohappotähteet ovat sijoittuneet kokonaan toiselle puolelle. Tämä erityinen rakenne antaa mahdollisuuden muokata proteiinin katalyyttistä aktiivisuutta vaikuttamatta haitallisesti sen stabiilisuuteen. Tämä on täydellinen lähtökohta proteiininmuokkaukselle.

Tässä tutkimusprojektissa käytettiin ns. järkiperäistä suunnittelua monomeerisen trioosifosfaatti-isomeraasivariantin (A-TIM) luomisessa. Tämän tutkimustyön pääasialliset tavoitteet olivat (i) uusien sitoutujien löytäminen ja (ii) uuden, suuremman sitoutumistaskun ominaisuuksien määrittäminen röntgenkristallografisilla menetelmillä.

Tässä tutkimuksessa havaittiin, että A-TIM kykenee sitomaan yhdisteitä, jotka ovat täysin erilaisia luonnolliseen substraattiin verrattuna. Tässä tutkimuksessa kuvaillaan kolmenlaisia sitoutujia: (i) todelliset villityypin entsyymin substraattianalogit, (ii) substraattianalogit, joihin on liitetty hydrofobinen hiilivetyketju ja (iii) villityypin substraattia suuremmat sokerifosfaatit. Tämän lisäksi A-TIM:n aktiivisen keskuksen todistettiin olevan toimintakykyinen.

Yleisellä tasolla tämä tutkimus osoittaa röntgenkristallografisten menetelmien tärkeyden entsyymienmuokkausprojekteissa, joissa entsyymivarianttien ominaisuuksien määritys on tärkeää.