Molecular simulations on electron transfer proteins

Abstract

Cytochrome P450s are versatile biocatalysts with the ability to accept a vast range of substrates. However, to enable their high potential they are in need of electrons. Those are delivered via complex electron transfer chains including an electron donor (NAD(P)H) and one or two transfer proteins. Transfer proteins are exchangeable from di erent organisms and work in various combinations. To gain knowledge and understanding about possible interactions of redox partners and subsequent transport of electrons to cytochromes P450 (P450s) molecular modelling methods are vital. Increasing computational power makes in silico methods like molecular docking and molecular dynamics simulations more and more suitable to analyze biological systems like P450s. With these methods we were able to establish changes in progesterone hydroxylation and subsequently shift and increase the product spectrum. The introduction of modelled glycine and proline linker structures could help to explain the interactions of proteins and the accompanied electron transfer. Also we investigated combinations of redox partners to optimize the redox chain of CYP106A2. To lower the redox potential of adrenodoxin, a suitable redox partner of CYP106A2, methods of rational protein design were applied.

Cytochrom P450 Enzyme sind breit einsetzbare Biokatalysatoren, die eine Vielzahl an Substraten akzeptieren k onnen, eine F ahigkeit die sie sehr attraktiv f ur eine biotechnologische Anwendung macht. Trotz ihrer vielseitigen Einsetzbarkeit gibt es jedoch einige Limitierungen, die es zu uberwinden gilt. Hierzu z ahlen beispielsweise die komplexen Elektronentransferprozesse oder die niedrige Elektronentransferrate. Die zur Elektronen ubertragung ben otigten Transferpartner sind uber verschiedene Organismen hinweg austauschbar und kombinierbar. Mit stetiger Erh ohung der Rechenleistungen werden in silico Methoden wie molekulares Docking oder Molek uldynamiksimulationen zur Analyse biologischer Systeme immer leichter einsetzbar. Im Rahmen unserer Forschungsarbeiten konnten wir damit Anderungen der Progesteronhydroxylierung bewirken, die das Produktspektrum verschob und den Ertrag wesentlich erh ohte. Die Modellierung von Glycin- und Prolin-Linker- Strukturen trug dazu bei, Interaktionen der Redoxpartner und den einhergehenden Elektronentransfer zu erkl aren. Des Weiteren wurden verschiedene Kombinationsm oglichkeiten von Redoxpartnern zur Optimierung der Redoxkette von CYP106A2 untersucht. Um das Redoxpotential von Adrenodoxin, einem passenden Redoxpartner des CYP106A2, herabzusetzen, kamen Methoden des rationalen Proteindesigns zum Einsatz.