Engineering of formate dehydrogenase for the acceptance of a biomimetic nicotinamide-based cofactor in the reduction of CO2

Abstract

Formate dehydrogenase (FDH) is an enzyme widely used in the industry for the regeneration of the cofactor NAD(P)H. Due to the expensive price of the natural cofactor, its regeneration is critical when working with enzymes that require it. Another use of formate dehydrogenase is the reduction of CO2 to formic acid. Biomimetic cofactors were created as an alternative to the expensive natural cofactor NADH. However, there are no studies that integrate them with the enzyme FDH. In this study, using molecular docking, the biomimetic cofactor P3NAH was selected as the biomimetic cofactor that accommodates best in the active site of the enzyme FDH from Pseudomonas (PsFDH) and can reduce CO2. With the objective of creating a mutant of PsFDH that accommodates the nicotinamide part of P3NAH in a position similar to the nicotinamide of NADH, residues were switched in the cofactor access tunnel and active site of the enzyme and the structure of the mutants was generated with homology modelling. When changing the residue Ser 380 for Gly, the nicotinamide part of P3NAH locates the closest when compared to the position of NADH in the WT enzyme. The WT enzyme locates P3NAH with an average distance between relevant atoms of P3NAH and relevant residues of 1.2 Å while the mutant 2NADa_S380G accommodates it with an average distance of 0.25 Å. Apart from acceptable docking results for P3NAH, the protein stability and the ligand transport of 2NADa_S380G is acceptable so this mutant is more suitable for reaction with P3NAH than the WT enzyme.

La enzima formato deshidrogenase (FDH) es ampliamente utilizada para la regeneración del cofactor NAD(P)H. Debido al alto precio del cofactor natural, su regeneración es crítica cuando se trabaja con enzimas que lo requieren. Otro uso de FDH es la reducción de CO2 a ácido fórmico. Los cofactores biomiméticos se crearon como una alternativa al cofactor natural. Sin embargo, no hay estudios que los integren con la enzima FDH. En este estudio, utilizando el acoplamiento molecular, el cofactor biomimético P3NAH fue seleccionado como el que mejor se acomoda en el centro activo de FDH de Pseudomonas (PsFDH) y puede reducir el CO2. Con el objetivo de crear una mutante de PsFDH que acomode la parte de nicotinamida de P3NAH en una posición similar a la nicotinamida de NADH, se modificaron residuos en el túnel de acceso del cofactor y en el centro activo de la enzima. La estructura de las mutantes se generó con modelado de homología. Al cambiar el residuo Ser 380 por Gly, la nicotinamida de P3NAH se sitúa en una posición más cercana a la posición de NADH. La enzima sin modificar sitúa la molécula P3NAH con una distancia promedio entre átomos de P3NAH y residuos relevantes de 1.2 Å mientras que la mutante 2NADa_S380G lo acomoda con una distancia promedio de 0.25 Å. Además de los resultados de acoplamiento aceptables para P3NAH, la estabilidad de la proteína y el transporte de ligando de 2NADa_S380G es aceptable, por lo que esta mutante es más adecuada para la reacción con P3NAH que la enzima sin modificar.

L'enzim format deshidrogenase (FDH) és àmpliament utilitzada per a la regeneració del cofactor NAD(P)H. A causa de l'alt preu del cofactor natural, la seva regeneració és crítica quan es treballa amb enzims que el requereixen. Un altre ús de FDH és la reducció de CO¿ a àcid fòrmic. Els cofactors biomiméticos es van crear com una alternativa al cofactor natural. No obstant això, no hi ha estudis que els integrin amb l'enzim FDH. En aquest estudi, utilitzant l'acoblament molecular, el cofactor biomimético P3NAH va ser seleccionat com el que millor s'acomoda en el centre actiu de FDH de Pseudomonas (PsFDH) i pot reduir el CO¿. Amb l'objectiu de crear una mutant de PsFDH que acomodi la part de nicotinamida de P3NAH en una posició similar a la nicotinamida de NADH, es van modificar residus en el túnel d'accés del cofactor i en el centre actiu de l'enzim. L'estructura de les mutants es va generar amb modelatge d'homologia. En canviar el residu Ser 380 per Gly, la nicotinamida de P3NAH se situa en una posició més pròxima a la posició de NADH. L'enzim sense modificar situa la molècula P3NAH amb una distància mitjana entre àtoms de P3NAH i residus rellevants d'1.2 Å mentre que la mutant 2NADa_S380G ho acomoda amb una distància mitjana de 0.25 Å. A més dels resultats d'acoblament acceptables per a P3NAH, l'estabilitat de la proteïna i el transport de lligant de 2NADa_S380G és acceptable, per la qual cosa aquesta mutant és més adequada per a la reacció amb P3NAH que l'enzim sense modificar.