a computational method for the systematic screening of reaction barriers in enzymes: searching for bacillus circulans xylanase mutants with greater activity towards a synthetic substrate

طريقة حاسوبية للفحص المنهجي لحواجز التفاعل في الإنزيمات: البحث عن طافرات إنزيم زيلاناز *Bacillus circulans* ذات نشاط أكبر تجاه ركيزة اصطناعية

Clicks: 412
ID: 155964
2013
Free PDF
Article Quality & Performance Metrics
Overall Quality
Not rated
Combines reader engagement with the AI quality analysis. This article has not been analysed, so there is no overall score — reader engagement is measured and shown alongside.
AI Quality Assessment
Not analyzed
Readership in this journal
Popular

Ranked #65 of 581 articles by views in pediatrics

Most read Least read

Bar heights use a square-root scale. Only the 120 most-read articles are drawn; the journal has 581 in total.

Mint this article as an NFT
Not yet minted

Create a permanent, verifiable on-chain record of this article on the Scimatic Network. The NFT is held in your Journament account, and you can withdraw it to your own wallet at any time.

5 SUSD one-off · no wallet required
Sign in to mint
Abstract
We present a semi-empirical (PM6-based) computational method for systematically estimating the effect of all possible single mutants, within a certain radius of the active site, on the barrier height of an enzymatic reaction. The intent of this method is not a quantitative prediction of the barrier heights, but rather to identify promising mutants for further computational or experimental study. The method is applied to identify promising single and double mutants of Bacillus circulans xylanase (BCX) with increased hydrolytic activity for the artificial substrate ortho-nitrophenyl β-xylobioside (ONPX2). The estimated reaction barrier for wild-type (WT) BCX is 18.5 kcal/mol, which is in good agreement with the experimental activation free energy value of 17.0 kcal/mol extracted from the observed kcat using transition state theory (Joshi et al., 2001). The PM6 reaction profiles for eight single point mutations are recomputed using FMO-MP2/PCM/6-31G(d) single points. PM6 predicts an increase in barrier height for all eight mutants while FMO predicts an increase for six of the eight mutants. Both methods predict that the largest change in barrier occurs for N35F, where PM6 and FMO predict a 9.0 and 15.8 kcal/mol increase, respectively. We thus conclude that PM6 is sufficiently accurate to identify promising mutants for further study. We prepared a set of all theoretically possible (342) single mutants in which every amino acid of the active site (except for the catalytically active residues E78 and E172) was mutated to every other amino acid. Based on results from the single mutants we construct a set of 111 double mutants consisting of all possible pairs of single mutants with the lowest barrier for a particular position and compute their reaction profile. None of the mutants have, to our knowledge, been prepared experimentally and therefore present experimentally testable predictions.
نقدم طريقة حاسوبية شبه تجريبية (قائمة على PM6) للتقدير المنهجي لتأثير جميع الطفرات المفردة المحتملة، ضمن نصف قطر محدد من الموقع النشط، على ارتفاع حاجز التفاعل الإنزيمي. ولا تهدف هذه الطريقة إلى التنبؤ الكمي بارتفاعات الحواجز، بل إلى تحديد الطفرات الواعدة لإخضاعها لمزيد من الدراسات الحاسوبية أو التجريبية. وتُطبَّق هذه الطريقة لتحديد الطفرات المفردة والمزدوجة الواعدة لإنزيم زيلاناز العصوية الدائرية (Bacillus circulans xylanase - BCX) ذات النشاط الحلمهي المتزايد تجاه الركيزة الاصطناعية أورثو-نيتروفينيل بيتا-زايلوبيوسيد (ONPX2). ويبلغ حاجز التفاعل المُقدَّر للنوع البري (WT) من إنزيم BCX ما مقداره 18.5 كيلوكالوري/مول، وهو ما يتوافق توافقاً جيداً مع قيمة طاقة التنشيط الحرة التجريبية البالغة 17.0 كيلوكالوري/مول والمستخلصة من قيمة kcat المرصودة باستخدام نظرية الحالة الانتقالية (Joshi et al., 2001). كما أُعيد حساب مسارات تفاعل PM6 لثماني طفرات نقطية مفردة باستخدام حسابات النقطة المفردة FMO-MP2/PCM/6-31G(d). وتتنبأ طريقة PM6 بزيادة في ارتفاع الحاجز لجميع الطفرات الثماني، في حين تتنبأ طريقة FMO بزيادة لستٍّ من أصل الطفرات الثماني. وتتنبأ كلتا الطريقتين بأن التغير الأكبر في الحاجز يحدث في الطفرة N35F؛ إذ تتنبأ طريقتا PM6 وFMO بزيادة قدرها 9.0 و15.8 كيلوكالوري/مول، على التوالي. ومن ثم، نستنتج أن طريقة PM6 تتمتع بدقة كافية لتحديد الطفرات الواعدة لمزيد من الدراسة. وقد أعددنا مجموعة تضم جميع الطفرات المفردة الممكنة نظرياً (342 طفرة)، حيث تم فيها استبدال كل حمض أميني في الموقع النشط (باستثناء الثمالات النشطة تحفيزياً E78 وE172) بجميع الأحماض الأمينية الأخرى. وبناءً على نتائج الطفرات المفردة، أنشأنا مجموعة مكونة من 111 طفرة مزدوجة تتألف من جميع أزواج الطفرات المفردة المحتملة ذات الحاجز الأدنى لموضع معين، وحسبنا مسارات تفاعلها. وبحسب علمنا، لم تُحضَّر أي من هذه الطفرات تجريبياً من قبل، ومن ثم فإنها تقدم تنبؤات قابلة للاختبار التجريبي.
Reference Key
hediger2013peerja Use this key to autocite in the manuscript while using SciMatic Manuscript Manager or Thesis Manager
Authors Martin R. Hediger, Casper Steinmann, Luca De Vico, Jan H. Jensen
Are you one of these authors? Claim your profile
Journal pediatrics
Year 2013
DOI
10.7717/peerj.111
URL
https://peerj.com/articles/111/
Keywords
computational chemistry protein design rational designmedicine

Citations

No citations found. To add a citation, contact the admin at info@scimatic.org

Comments

No comments yet. Be the first to comment on this article.