Este proyecto propone estudiar de forma teórica la catálisis en enzimas oxidativas con interés biotecnológico, empleando herramientas computacionales en las que se combinan dos enfoques: el mecanoclásico y el mecanocuántico. La ventaja de este enfoque híbrido aplicado a proteínas permite incluir en las simulaciones un gran número de átomos, incluyendo solvente, definiendo de forma cuántica el sitio activo y el resto de forma clásica, permitiendo que los modelos sean más próximos a la realidad. Esta estrategia se ha utilizado en otros grupos para estudiar transferencia de electrones en enzimas oxidativas, particularmente metaloenzimas que por contener metales de transición en el sitio activo representan un reto desde el punto de vista teórico. En este proyecto se propone aplicar esta herramienta a eventos moleculares muy concretos asociados a la transferencia de electrones, que se presentan en una variedad de enzimas. Específicamente se propone estudiar a) los procesos de autoinactivación en peroxidasas, presentes en todas las enzimas de este tipo (plantas, baterias y hongos) y que representa uno de los obstáculos para la utilización a gran escala de estas enzimas y b) el mecanismo y ruta de transferencia de electrones en el sitio activo de la lacasa. Resulta novedoso aplicar esta herramienta a ambos casos de estudio, debido a que son fenómenos que no se comprenden en su totalidad, que son relevantes desde el punto de vista biotecnológico y que podría generar conocimiento y metodologías nuevas para la manipulación de la estabilidad y catálisis de estas enzimas.

En nuestro grupo de trabajo, recientemente hemos introducido este tipo de herramienta para el estudio de nuestros biocatalizadores. En específico, hemos comenzado a modelar el proceso de inactivación mediada por peróxido de variantes del citocromo P450 y de peroxidasas de hongo tales como cloroperoxidasa de Caldariomyces fumago y peroxidasa versátil de Bjerkandera adusta. De forma alentadora, hemos encontrado que podemos reproducir de forma teórica algunas de las observaciones experimentales, tales como la oxidación de residuos de triptófano en la vecindad del grupo hemo._x000D_ _x000D_ Debido al potencial de las herramientas químico-teóricas para el estudio de sistemas complejos como las enzimas, en este proyecto se propone utilizar métodos híbridos QM/MM para profundizar en la comprensión de procesos de oxidación que se realizan a través de transferencia de electrones mediada por enzimas. Dentro de los retos científicos se encuentra el plantear de manera adecuada los modelos para describir resultados experimentales previamente obtenidos; utilizar los modelos para predecir el efecto de perturbaciones (i.e. mutaciones) en el entorno del sitio activo de la enzima sobre la transferencia de electrones; proponer metodologías teóricas para el la evaluación de fenómenos multifactoriales como la inactivación de peroxidasas._x000D_ _x000D_ _x000D_ Contribución al avance del conocimiento y su aplicación: con este proyecto se pretende describir detalladamente la descripción de las rutas transferencia intramolecular de electrones en algunas oxidoreductasas. Además, a través de seminarios institucionales se pretende difundir y en la medida de lo posible y de los intereses de los investigadores, introducir la herramienta QM/MM (Qsite) a la comunidad del Instituto de Biotecnología (IBT) y otras dependencias interesadas. Por último, con los recursos dedicados a la adquisición de procesadores, se modernizará e incrementará la capacidad de cálculo del cluster del IBT._x000D_ _x000D_ Calidad y originalidad: En este trabajo se pretende abordar fenómenos que experimentalmente representan retos importantes, que pueden ser complementados y enriquecidos de forma significativa con herramientas de simulación molecular. Con la ayuda de herramientas computacionales pueden ser dirigidos los esfuerzos a esta investigación, ofreciendo una explicación detallada a nivel atómico y energético sobre las observaciones experimentales, así como proponer los siguientes pasos experimentales (i.e. mutaciones) para obtener las propiedades deseadas en las enzimas redox. Cabe mencionar que los métodos QM/MM son una herramienta de vanguardia para el estudio de sistemas con un gran número de átomos, como son las proteínas._x000D_