توصيفگر ها :
آنزيم , نقاط داغ عملكردي , آميلاز , فيتاز , داكينگ مولكولي , شبيه سازي مولكولي
چكيده فارسي :
آنزيمهاي صنعتي مانند پروتئاز، آميلاز و فيتاز به عنوان كاتاليزورهاي زيستي نقش كليدي در فرآيندهاي صنعتي ايفا ميكنند، اما پايداري و كارايي آنها تحت شرايط سخت صنعتي اغلب محدود است. در اين پژوهش، با استفاده از روشهاي بيوانفورماتيكي پيشرفته، جهشهاي هدفمندي در نقاط داغ عملكردي اين آنزيمها طراحي شد تا ويژگيهاي آنزيمي از جمله پايداري حرارتي، حلاليت و فعاليت كاتاليزوري بهبود يابد. ابتدا تواليها و ساختارهاي سهبعدي آنزيمهاي هدف از پايگاههاي داده RCSB و UniProt استخراج شد و با استفاده از الگوريتم CD-HIT تواليهاي تكراري حذف گرديدند. سپس با تحليل شبكه تشابه توالي(SSN) و ترسيم ماتريس تشابه، گروههاي عملكردي مرتبط شناسايي شدند. براي شناسايي دقيق نقاط داغ، از ابزار HotSpot Wizard 3.0 استفاده شد كه با بررسي فاكتور B و محاسبه انرژي آزاد گيبس (ΔΔG)، اسيدآمينههاي كليدي در پايداري و عملكرد آنزيمها را مشخص كرد. مدلسازي ساختار سهبعدي پروتئينهاي جهشيافته با نرمافزار AlphaFold2 انجام گرفت و كيفيت ساختارها با شاخصهاي pLDDT و PAE ارزيابي شد. داكينگ مولكولي با استفاده از AutoDock Vina و شبيهسازي مولكولي با استفاده از GROMACS به منظور بررسي پايداري ساختاز آنزيم انجام شد. در اين مطالعه 9 نقطه داغ عملكردي در آميلاز و 7 نقطه داغ در فيتاز شناسايي شد كه بيشتر در نواحي كاتاليتيك و اتصال به سوبسترا قرار داشتند. در آنزيم آميلاز، اسيدهاي آمينه كليدي شامل Glu251، Asp373 و Arg443 بودند كه در حفظ ساختار دوم پروتئين و برهمكنش با سوبسترا نقش حياتي ايفا ميكردند. به ويژه، جايگاه Glu251 در تشكيل پيوندهاي هيدروژني با سوبسترا و Arg443 در ايجاد برهمكنشهاي الكترواستاتيك مؤثر بودند. در فيتاز، اسيدهاي آمينه Lys48، Asp230 و Phe323 به عنوان نقاط داغ شناسايي شدند كه Lys48 در مركز فعال آنزيم و Asp230 در پايداري ساختاري در pH اسيدي نقش كليدي داشتند. شبيهسازي ديناميك مولكولي نشان داد جهش Glu251Lys در آميلار و Lys48Pro در فيتاز به ترتيب منجر به كاهش 15% و 14% در نوسانات ساختاري(RMSD) شدند. همچنين، اين جهشها بهبود قابل توجهي در انرژي اتصال آنزيم به سوبسترا ايجاد كردند، به طوري كه انرژي اتصال در آميلاز جهش يافته از( 5/6-) به( 9/6- )كيلوكالري بر مول و در فيتاز از( 3/6- ) به( 7-)كيلوكالري بر مول رسيد. اين نتايج نشان ميدهد كه هدف قرار دادن اين نقاط داغ ميتواند استراتژي مؤثري براي بهينهسازي آنزيمهاي صنعتي باشد.
چكيده انگليسي :
Industrial enzymes such as proteases, amylases, and phytases serve as crucial biocatalysts in industrial processes, yet their stability and efficiency under harsh industrial conditions are often limited. In this study, advanced bioinformatics approaches were employed to design targeted mutations in functional hotspots of these enzymes to enhance their thermal stability, solubility, and catalytic activity. The research began with extracting target enzyme sequences and 3D structures from RCSB and UniProt databases, followed by removal of redundant sequences using the CD-HIT algorithm. Sequence similarity network (SSN) analysis and similarity matrices were then used to identify functionally related groups. HotSpot Wizard 3.0 was utilized to precisely identify hotspots by examining B-factors and calculating Gibbs free energy changes (ΔΔG), which revealed key amino acids critical for enzyme stability and function. Three-dimensional modeling of mutant proteins was performed using AlphaFold2, with structural quality assessed through pLDDT and PAE metrics. Molecular docking was conducted using AutoDock Vina, while molecular dynamics simulations employed GROMACS to evaluate structural stability. The study identified 9 functional hotspots in amylase and 7 in phytase, predominantly located in catalytic and substrate-binding regions. In amylase, key residues included Glu251, Asp373, and Arg443, which played vital roles in maintaining secondary structure and substrate interactions. Notably, Glu251 facilitated hydrogen bonding with substrates while Arg443 mediated electrostatic interactions. In phytase, critical hotspots were Lys48, Asp230, and Phe323, with Lys48 positioned at the enzymeʹs active site and Asp230 contributing to structural stability under acidic pH conditions. Molecular dynamics simulations demonstrated that the Glu251Lys mutation in amylase and Lys48Pro in phytase reduced structural fluctuations (RMSD) by 15% and 14%, respectively. These mutations also significantly improved enzyme-substrate binding affinity, increasing from -6.5 to -6.9 kcal/mol in amylase and from -6.3 to -7.0 kcal/mol in phytase. These findings demonstrate that targeted engineering of these functional hotspots represents an effective strategy for optimizing industrial enzymes, potentially leading to significant improvements in their industrial applications. The bioinformatics-driven approach developed in this study provides a robust framework for enzyme enhancement and could be extended to other industrially important enzymes.