Computational development of new biocatalyst for plastic degradation through QM/MM methods

Abstract

Os polímeros sintéticos têm sido produzidos de forma excessiva nestes últimos anos chegando a atingir cerca de 350 milhões de toneladas por ano. A demanda destes plásticos deve-se às suas propriedades, tais como, não degradabilidade, baixo custo, alta resistência, habilidade de serem moldados a pressões e temperaturas altas, entre outros. Contudo, este excesso leva à sua deposição em aterros, que posteriormente são depositados em ambientes aquáticos e terrestres, causando dessa forma consequências adversas para os biossistemas. O método industrial para a degradação de plástico requere pressões e temperaturas altas, e normalmente a adição de solventes orgânicos que levam à formação de poluentes ambientais adicionais. Dessa forma, é necessário uma solução mais viável. A biodegradação de plástico por enzimas biocatalisadoras tem sido estudada e desenvolvida nos últimos anos, sendo a biodegradação de plástico polietileno tereftalato (PET) o mais recorrente. A degradação deste plástico, normalmente resulta nos produtos intermédios tereftalato de bis(2-hidroxietileno) (BHET) e ácido tereftálico mono-(2-hidroxietil) (MHET) e nos produtos finais ácido tereftlálico (TPA) e etileno glicol (EG). Neste projeto, foi estudado o mecanismo catalítico da enzima IsMHETase contra o substrato MHET, através de métodos computacionais, nomeadamente, métodos híbridos de mecânica quântica/mecânica molecular (QM/MM) usando um esquema subtrativo (ONIOM). A parte QM é composta pelos resíduos de aminoácidos essenciais na reação e foi calculada usando a teoria do funcional de densidade, onde o funcional utilizado foi o B3LYP e a base de funções 6-31G(d,p). Entretanto, a parte MM que envolve o resto do sistema foi calculada através de mecânica molecular, nomeadamente por campos de força ff14SB e GAFF. Os resultados revelaram um mecanismo catalítico de cinco passos, que são divididos em acilação e desacilação. Durante o processo de acilação, Ser225 é desprotonada pela His528 e torna-se um nucleófilo que ataca o grupo carbonilo do substrato MHET, originando o intermediário ácil-enzima e libertando o produto EG. Durante a desacilação, uma molécula de água é desprotonada pela His528 que ataca o intermediário, libertado o segundo produto TPA.

Synthetic polymers are being produced in an excessive way, reaching about 350 million tons yearly. The demand of these plastics is due to their proprieties, such as non-degradability, low cost, high resistance, ability to be moulded at high pressures and temperatures, many others. However, the excess leads to its deposition in landfills that end up deposited in aquatic and terrestrial environments, causing several hazard consequences to the biosystems. Industrial strategy for plastic degradation requires high pressure and temperature, and often organic solvents, causing additional environmental pollutants. Therefore, it is necessary a more environmentally friendly strategy. Plastic biodegradation by biocatalyst enzymes have been studied and developed in recent years, being the polyethylene terephthalate (PET) the most studied plastic. The degradation of this plastic normally results in bis(2-hydroxyethyl)terephthalic acid (BHET) and mono-(2-hydroxyethyl)terephthalic acid (MHET) intermediates and terephthalic acid (TPA) and ethylene glycol (EG) building blocks. In this project, the catalytic mechanism of IsMHETase enzyme against MHET substrate was studied, using computational means, namely hybrid quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) methodology with subtractive scheme (ONIOM). The QM part is composed of key amino acid residues involved in the reaction and was calculated using density functional theory with the functional B3LYP and the basis set 6-31G(d,p). Meanwhile, the MM part encompasses the remaining of the system and was calculated using molecular mechanics, namely ff14SB and GAFF force fields. The results showed a five-step catalytic mechanism that are divided in acylation and deacylation. In acylation, Ser225 is deprotonated by His528, becoming a nucleophile and attacks the carbonyl group of MHET substrate, resulting in the formation of the acyl-intermediate enzyme and the release of EG. In deacylation, a water molecular is deprotonated by His528 and attacks the intermediate, resulting in the second product TPA.