Encimska kataliza verjetno izvira iz elektrostatike: računska raziskava

Predlagani projekt naslavlja morda najbolj pomembno temeljno odprto vprašanje na področju biokatalize, in sicer izvor katalitične funkcije encimov. Pri vsem, kar je znanega o encimih, narava gonilne sile katalize namreč še vedno ostaja predmet živahne razprave. Poglede na to vprašanje lahko v glavnem razdelimo na dve hipotezi: (i) encimska kataliza izvira iz predorganizirane elektrostatike, in (ii) encimska kataliza izvira iz dinamskih učinkov. Obe hipotezi o izvoru encimske katalize sta predmet mnogih raziskav, vendar do danes še ni bilo doseženo soglasje – tudi zato, ker eksperimentalne tehnike niso sposobne potrditi ali ovreči nobene od hipotez – in vsaka nova informacija na tem področju bi bila velikega pomena. Glede na izrazito omejen doseg eksperimentalnih metod se kot primerno orodje za pristop k naslovnemu problemu ponujajo teoretične oz. simulacijske tehnike. Pred kratkim se je naša raziskovalna skupina pridružila razpravi z razvojem preprostega, vendar učinkovitega računskega pristopa, ki omogoča vpogled v vlogo elektrostatike v encimskih reakcijah [A. Prah et al., ACS Catal. 2019, 9, 1231–1240]. S tem pristopom smo na primeru encima monoamino oksidaze A (MAO A) pokazali, da imajo elektrostatske interakcije izrazito katalitičen vpliv na vse obravnavane parametre reaktivnosti in kinetike. Velikost učinka kaže, da vloga elektrostatike pri MAO A ni zgolj pomembna, ampak tudi bistvena za katalizo. Naše ugotovitve so v celoti v skladu s hipotezo, da encimska kataliza izhaja iz predorganizirane elektrostatike. Namen predlaganega projekta je proučitev gonilne sile encimske katalize s poudarkom na elektrostatiki kot možnem izvoru katalize. Vlogo elektrostatskih interakcij bomo raziskali s širjenjem našega pristopa na čim bolj raznoliko paleto encimov, njihovih substratov in reakcijskih mehanizmov. Encime in njihove reakcije bomo skrbno izbrali, najraje med primeri, pri katerih je reakcijski mehanizem eksperimentalno potrjen, na voljo pa so tudi trajektorije reakcijske simulacije. V veliki meri se bomo oprli na nedavne študije encimskih reakcij naše in tudi sodelujoče raziskovalne skupine, ter na naše izkušnje pri modeliranju encimskih reakcij z najsodobnejšimi orodji za večnivojsko modeliranje. Predlagana raziskava bo omogočila povezavo med zelo omejenimi eksperimentalnimi študijami elektrostatike v aktivnih mestih encimov in temeljnimi teoretičnimi koncepti (t.j. vibracijska Starkova spektroskopija kot merilo električnega polja). Poleg tega bodo pomembne informacije o delovanju encimov, ki jih prinaša predlagana raziskava, okrepile povezavo z eksperimentalnimi študijami encimskih reakcij (npr. s kinetičnimi študijami točkovnih mutacij) ter omogočale načrtovanje encimskih zaviralcev kot analogov prehodnega stanja. Pričakujemo, da bi potrditev encimske elektrostatike kot izvora katalize na dovolj velikem številu primerov privedla do posplošitve in bi pomenila velik korak naprej pri potrjevanju ne le hipoteze o predorganizirani elektrostatiki, temveč tudi veljavnosti teorije prehodnega stanja v encimskih reakcijah. Po drugi strani pa bi neuspeh pripisati izvor katalitičnega učinka encimov elektrostatiki pri širšem naboru encimov prispeval k ovrženju obravnavane hipoteze. Vsekakor bo predlagani projekt prinesel nova temeljna spoznanja o encimski katalizi in pomembno doprinesel k reševanju enega najbolj zanimivih vprašanj encimologije.