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Please use this identifier to cite or link to this item: http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/38000
Title: Reaction Mechanism of the PET Degrading Enzyme PETase Studied with DFT/MM Molecular Dynamics Simulations
Other Titles: Mecanismo de reacción de la enzima degradante PETasa de PET estudiada con simulaciones de dinámica molecular DFT/MM
Authors: Jerves Vazquez, Fanny Carola
Ramos, María Joao
Fernández, Pedro Alejandro
Da Silva, Saulo Luis
Neves, Rui PP
metadata.dc.ucuenca.correspondencia: Fernández, Pedro Alejandro, pafernan@fc.up.pt
Keywords: Umbrella sampling
Plastic accumulation
Biodegradation
Biorecycling
Density functional theory
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientofrascatiamplio: 1. Ciencias Naturales y Exactas
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientofrascatidetallado: 1.4.2 Química Inorgánica y Nuclear
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientofrascatiespecifico: 1.4 Ciencias Químicas
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientounescoamplio: 05 - Ciencias Físicas, Ciencias Naturales, Matemáticas y Estadísticas
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientounescodetallado: 0521 - Ciencias Ambientales
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientounescoespecifico: 052 - Medio Ambiente
Issue Date: 2021
metadata.dc.ucuenca.volumen: Volumen 11, número 18
metadata.dc.source: Catálisis ACS
metadata.dc.identifier.doi: 10.1021/acscatal.1c03700
metadata.dc.type: ARTÍCULO
Abstract: 
Polyethylene terephthalate (PET) has been widely used to make disposable bottles, among others, leading to massive PET waste accumulation in the environment. The discovery of the Ideonella sakaiensis PETase and MHETase enzymes, which hydrolyze PET into its constituting monomers, opened the possibility of a promising route for PET biorecycling. We describe an atomistic and thermodynamic interpretation of the catalytic reaction mechanism of PETase using umbrella sampling simulations at the robust PBE/MM MD level with a large QM region. The reaction mechanism takes place in two stages, acylation and deacylation, each of which occurs through a single, associative, concerted and asynchronous step. Acylation consists of proton transfer from Ser131 to His208, concerted with a nucleophilic attack by Ser131 on the substrate, leading to a tetrahedral transition state, which subsequently results in the release of MHET after the breaking of the ester bond. Deacylation is driven by deprotonation of an active site water molecule by His208, with the resulting hydroxide attacking the acylated Ser131 intermediate and breaking its bond to the substrate. Subsequently, His208 transfers the water proton to Ser131, with ensuant formation of MHET and enzyme regeneration. The rate-limiting acylation has a free energy barrier of 20.0 kcal·mol–1, consistent with the range of experimental values of 18.0–18.7 kcal·mol–1. Finally, we identify residues whose mutation should increase the enzyme turnover. Specifically, mutation of Asp83, Asp89, and Asp157 by nonpositive residues is expected to decrease the barrier of the rate-limiting step. This work led to the understanding of the catalytic mechanism of PETase and opened the way for additional rational enzyme engineering.
Description: 
El tereftalato de polietileno (PET) se ha utilizado ampliamente para fabricar botellas desechables, entre otros, lo que ha provocado una acumulación masiva de residuos de PET en el medio ambiente. El descubrimiento de la Ideonella sakaiensisLas enzimas PETase y MHETase, que hidrolizan el PET en sus monómeros constituyentes, abrieron la posibilidad de una ruta prometedora para el biorreciclado de PET. Describimos una interpretación atomística y termodinámica del mecanismo de reacción catalítica de PETasa utilizando simulaciones de muestreo de paraguas en el nivel robusto PBE/MM MD con una gran región QM. El mecanismo de reacción tiene lugar en dos etapas, acilación y desacilación, cada una de las cuales ocurre a través de un solo paso, asociativo, concertado y asíncrono. La acilación consiste en la transferencia de protones de Ser131 a His208, concertada con un ataque nucleofílico de Ser131 en el sustrato, lo que lleva a un estado de transición tetraédrico, que posteriormente da como resultado la liberación de MHET después de la ruptura del enlace éster. La desacilación es impulsada por la desprotonación de una molécula de agua del sitio activo por His208, con el hidróxido resultante atacando el intermedio Ser131 acilado y rompiendo su enlace con el sustrato. Posteriormente, His208 transfiere el protón del agua a Ser131, con la consiguiente formación de MHET y regeneración enzimática. La acilación limitante de la velocidad tiene una barrera de energía libre de 20,0 kcal·mol–1 , consistente con el rango de valores experimentales de 18.0–18.7 kcal·mol –1 . Finalmente, identificamos residuos cuya mutación debería aumentar el recambio enzimático. Específicamente, se espera que la mutación de Asp83, Asp89 y Asp157 por residuos no positivos disminuya la barrera del paso limitante de la velocidad. Este trabajo condujo a la comprensión del mecanismo catalítico de la PETasa y abrió el camino para la ingeniería enzimática racional adicional.
URI: http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/38000
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.1c03700
metadata.dc.ucuenca.urifuente: https://pubs.acs.org/journal/accacs
ISSN: 2155-5435
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