Metody analizy aktywności katalitycznej i projektowania biokatalizatorów oparte na teorii oddziaływań międzycząsteczkowych - Beker, Wiktor (Methods of analisis of catalytic activity and biocatalyst design based on theory of intermolecular interactions, 2017)
Przedmiotem rozprawy jest rozwój metodologii pozwalającej ocenić wpływ mutacji na aktywność katalityczną, co ma znaczenie zarówno w procesie projektowania nowych biokatalizatorów, jak i analizy aktywności katalitycznej enzymów. Prezentowane podejście, nazwane oddolnym (ang. bottom-up), bazuje na hierarchii metod obliczeniowych zdefiniowanej przez teorię oddziaływań międzycząsteczkowych w ujęciu perturbacyjnym. Zasadniczą cechą przyjętej strategii jest jej głębokie zakorzenienie w metodologii ab initio, a także możliwość systematycznego prowadzania kolejnych przybliżeń bądź poprawek, zależnie od złożoności obliczeniowej konkretnego zagadnienia. Przeciwstawiona ona jest konwencjonalnym podejściom odgórnym (ang. top-down), w których główny nacisk położony jest na uchwycenie jak największej liczby zjawisk występujących w badanym układzie (jak np. duża eksploracja przestrzeni fazowej), najczęściej za cenę wprowadzania szeregu empirycznych parametrów, co ogranicza zdolność takich modeli do ekstrapolacji opartych na nich przewidywań. Rozdział pierwszy opisuje historię badań nad źródłami katalitycznej mocy enzymów oraz ich projektowania. Stanowi on przegląd zdobytej na przestrzeni ostatnich kilku dekad wiedzy, z uwzględnieniem najnowszych prac naukowych. Określone są tam także główne słabości stosowanych dotąd algorytmów projektowania biokatalizatorów. W rozdziale drugim zaprezentowane są podstawy przyjętej metodologii, tj. metoda różnicowej stabilizacji stanu przejściowego (DTSS) oraz zastosowanie rachunku zaburzeń do wyznaczania energii oddziaływania pomiędzy cząsteczkami. Szczególną uwagę poświęcono oddziaływaniu elektrostatycznemu oraz jego reprezentacji w postaci pól katalitycznych i kumulatywnego atomowego rozwinięcia multipolowego (CAMM). W rozdziale trzecim zaprezentowane są wyniki uzyskane w ramach pracy doktorskiej. Pierwsza sekcja opisuje analizę porównawczą pomiędzy różnymi reprezentacjami oddziaływania elektrostatycznego w kontekście opisu efektów katalitycznych. Pierwsza część sekcji drugiej prezentuje zastosowanie rozwinięcia multipolowego CAMM do szeregu mutantów izomerazy ketosteroidowej (KSI), co stanowiło wstępny test metody jak również jej weryfikację na przykładzie reakcji dwuetapowej. Kolejna podsekcja dotyczy teozymu KE07 oraz rodziny jego mutantów uzyskanych drogą eksperymentów kierunkowanej ewolucji. W ramach modelu wyjaśniono rolę mutacji wprowadzających aminokwasy naładowane, co nie zostało w tak szczegółowy sposób przedstawione w opublikowanych dotychczas pracach; zastosowano także bibliotekę CAMM aminokwasów białkowych, opracowaną w ramach prowadzonych badań. Oba z analizowanych przykładów pokazują bardzo dobrą zgodność modelu z danymi eksperymentalnymi, przez co stanowi on konkurencyjną alternatywę dla powszechnie stosowanych narzędzi. Suplement pracy zawiera w pierwszej kolejności wyprowadzenia i komentarze o znaczeniu edukacyjnym. Znajdują się tam także komentarze i testy przeprowadzone w ramach prób rozbudowania metodologii DTSS, jak również testy biblioteki multipoli CAMM aminokwasów.
Keywords: projektowanie biokatalizatorów; oddziaływania międzycząsteczkowe; kumulatywne atomowe rozwinięcie multipolowe