Esplorando il sottogruppo ossidante i 4-fenoli attraverso un approccio molecolare e biochimico

Redox enzymes are particularly attractive for biotechnological applications for two reasons: i) they can convert a remarkable variety of substrates derived from lignin degradation, and ii) they can modify their reactivity towards oxygen by orders of magnitude. However, understanding how oxygen reactivity and substrate scope are controlled by the protein milieu remains an open issue with broad implications for mechanistic enzymology and enzyme design. These two unclear aspects are addressed by focusing on a widespread group of flavoenzymes that oxidize phenolic compounds, using either oxygen or a cytochrome as electron acceptors. A comprehensive phylogenetic analysis revealed conserved amino acid motifs in their flavin-binding site. Using a combination of kinetics, mutagenesis, structural, and computational methods, the role of these residues is examined. The results demonstrate that subtle and localized changes in the flavin environment can drastically impact on oxygen reactivity. These effects are afforded through the creation or blockade of pathways for oxygen diffusion. Substrate binding plays a crucial role by potentially obstructing oxygen access to the flavin, thus influencing the enzyme's reactivity. Moreover, the ability to convert different lignans depends on the size of the active site cavity. The results obtained expand our knowledge of how redox enzymes work and evolve, offering valuable insights for rational design.

Gli enzimi che fanno ossidoreduzioni sono particolarmente interessanti per le applicazioni biotecnologiche per due motivi: i) possono convertire una notevole varietà di substrati che derivano dalla degradazione della lignina, e ii) possono modificare la loro reattività verso l'ossigeno di diversi ordini di grandezza. Tuttavia, comprendere come la reattività dell'ossigeno e la varietà di substrati siano controllate dal contesto proteico rimane una questione aperta con ampie implicazioni per la meccanica enzimologica e la progettazione di enzimi. Questi due aspetti poco chiari vengono affrontati concentrandosi su un gruppo diffuso di flavoenzimi che ossidano composti fenolici, utilizzando l'ossigeno o un citocromo come accettori di elettroni. Un'analisi filogenetica completa ha rivelato motivi conservati di amminoacidi nel loro sito di legame della flavina. Utilizzando una combinazione di analisi cinetiche, mutagenesi, metodi strutturali e computazionali, viene esaminato il ruolo di questi residui. I risultati dimostrano che cambiamenti localizzati nell'intorno della flavina possono influire drasticamente sulla reattività dell'ossigeno. Questi effetti sono resi possibili dalla creazione o dal blocco di tunnel per la diffusione dell'ossigeno. Il legame del substrato gioca un ruolo cruciale ostacolando l'accesso dell'ossigeno alla flavina, influenzando così la reattività dell'enzima. Inoltre, la capacità di convertire diversi componenti della lignina dipende dalle dimensioni della cavità del sito attivo. I risultati ottenuti ampliano la nostra conoscenza su come funzionano ed evolvono gli enzimi redox, offrendo preziose intuizioni per un design razionale.