Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1057210.32607/20758251-2013-5-4-62-70Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch Article3D Structure Modeling of Alpha-Amino Acid Ester Hydrolase from Xanthomonas rubrilineansМоделирование трехмерной структуры гидролазы эфиров альфа-аминокислот из Xanthomonas rubrilineansZarubinaS. A.ЗарубинаС. А.
Russian Federation
vitishkov@gmail.comUporovI. V.УпоровИ. В.
Russian Federation
vitishkov@gmail.comFedorchukE. A.ФедорчукЕ. А.
Russian Federation
vitishkov@gmail.comFedorchukV. V.ФедорчукВ. В.
Russian Federation
vitishkov@gmail.comSklyarenkoA. V.СкляренкоА. В.
Russian Federation
vitishkov@gmail.comYarotskyS. V.ЯроцкийС. В.
Russian Federation
vitishkov@gmail.comTishkovV. I.ТишковВ. И.
Russian Federation
vitishkov@gmail.comDepartment of Chemical Enzymology, Faculty of Chemistry, M.V. Lomonosov Moscow State UniversityХимический факультет Московского государственного университета им. М.В. ЛомоносоваInnovations and High Technologies MSU LtdООО «Инновации и высокие технологии МГУ»State Research Institute for Genetics and Selection of Industrial Microorganisms (GosNIIgenetika)Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов (ГосНИИгенетика)A.N. Bach Institute of Biochemistry, Russian Academy of SciencesИнститут биохимии им. А.Н. Баха РАН1512201354VOL 5, NO4 (2013)ТОМ 5, №4 (2013)627017012020Copyright ©; 2013, Zarubina S.A., Uporov I.V., Fedorchuk E.A., Fedorchuk V.V., Sklyarenko A.V., Yarotsky S.V., Tishkov V.I.Copyright ©; 2013, Зарубина С.А., Упоров И.В., Федорчук Е.А., Федорчук В.В., Скляренко А.В., Яроцкий С.В., Тишков В.И.2013Zarubina S.A., Uporov I.V., Fedorchuk E.A., Fedorchuk V.V., Sklyarenko A.V., Yarotsky S.V., Tishkov V.I.Зарубина С.А., Упоров И.В., Федорчук Е.А., Федорчук В.В., Скляренко А.В., Яроцкий С.В., Тишков В.И.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10572

Alpha-amino acid ester hydrolase (EC 3.1.1.43, AEH) is a promising biocatalyst for the production of semi-synthetic β-lactam antibiotics, penicillins and cephalosporins. The AEH gene from Xanthomonas rubrilineans (XrAEH) was recently cloned in this laboratory. The three-dimensional structure of XrAEH was simulated using the homology modeling method for rational design experiments. The analysis of the active site was performed, and its structure was specified. The key amino acid residues in the active site - the catalytic triad (Ser175, His341 and Asp308), oxyanion hole (Tyr83 and Tyr176), and carboxylate cluster (carboxylate groups of Asp209, Glu310 and Asp311) - were identified. It was shown that the optimal configuration of residues in the active site occurs with a negative net charge -1 in the carboxylate cluster. Docking of different substrates in the AEH active site was carried out, which allowed us to obtain structures of XrAEH complexes with the ampicillin, amoxicillin, cephalexin, D-phenylglycine, and 4-hydroxy-D-phenylglycine methyl ester. Modeling of XrAEH enzyme complexes with various substrates was used to show the structures for whose synthesis this enzyme will show the highest efficiency.

Гидролаза эфиров альфа-аминокислот (AEH, [КФ 3.1.1.43]) является перспективным биокатализатором синтеза β-лактамных антибиотиков – как пенициллинов, так и цефалоспоринов. Ранее в нашей лаборатории был клонирован ген AEH из Xanthomonas rubrilineans (XrAEH). В представленной работе с целью рационального дизайна XrAEH методом гомологичного моделирования построена структура этого фермента и проведен анализ его активного центра. Идентифицированы остатки, образующие каталитическую триаду (Ser175, His341 и Asp308), а также остатки, входящие в оксианионный центр (Tyr83 и Tyr176) и карбоксилатный кластер (карбоксильные группы остатков Asp311, Asp209 и Glu310). Показано, что оптимальная конформация остатков каталитической триады реализуется при суммарном заряде карбоксилатного кластера, равного –1. С помощью докинга получены структуры комплексов XrAEH с ампициллином, амоксициллином, цефалексином, метиловыми эфирами D-фенилглицина и 4-окси-D-фенилглицина. С помощью моделирования комплексов фермента с различными субстратами проведен анализ полученных структур и определен ряд антибиотиков, при синтезе которых фермент XrAEH будет наиболее эффективен.

alpha-amino acid ester hydrolaseXanthomonasrubrilineanscomputer simulationdockingenzymatic synthesis of antibioticsprotein engineeringгидролаза эфиров альфа-аминокислотXanthomonas rubrilineansкомпьютерное моделированиедокингферментативный синтез антибиотиковбелковая инженерияThis study was supported by the Ministry of Education and Sciences of the Russian Federation (State contract № 14.512.11.0066) and the Russian Foundation for Basic Research (grant number 11-04-00962-a).Работа поддержана Министерством образования и науки РФ (госконтракт № 14.512.11.0066) и РФФИ (грант № 11-04-00962-а).[1] Elander R.P. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2003, V.61, №5-6, P.385-392[2] Youshko M.I., Moody H.M., Bukhanov A.L., Boosten W.H.J., Švedas V.K. // Biotechnology and Bioengineering 2004, V.85, №3, P.323-329[3] Tishkov V.I., Savin S.S., Yasnaya A.S. // Acta Naturae. 2010, V.2, №3(6), P.47-61[4] Barends Th.R.M., Polderman-Tijmes J.J., Jekel P.A., Willams Ch., Wybenga G., Janssen D.B., Dijkstra B.W. // J. Biol. Chem. 2006, V.281, №9, P.5804-5810[5] Polderman-Tijmes J.J., Jekel P.A., Jeronimus-Stratingh C.M., Bruins A.P., van der Laan J.M., Sonke Th., Janssen D.B. // J. Biol. Chem. 2002, V.277, №32, P.28474-28482[6] Barends Th.R.M., Polderman-Tijmes J.J., Jekel P.A., Hensgens C.M.H., de Vries E.J., Janssen D.B., Dijkstra B.W. // J. Biol. Chem. 2003, V.278, №25, P.23076-23084[7] Blum J.K., Bommarius A.S. // J. Mol. Catal. B: Enzym. 2010, V.67, №1-2, P.21-28[8] Hall Th.A. // Nucl. Acids Symp. Ser. 1999, V.41, №1, P.95-98[9] Dauber-Osguthorpe P., Roberts V.A., Osguthorpe D.J., Wolff J., Genest M., Hagler A.T. // Proteins: Struct. Funct. Genet. 1988, V.4, №1, P.31-47[10] Discovery Studio 2.5 http:. // url accelrys.com/products/ discovery-studio/[11] Kiefer F., Arnold K., Künzli M., Bordoli L., Schwede T. // Nucleic Acids Research 2009, V.37, S1, P.D387-D392[12] Yarotsky S.V., Sklyarenko A.V. // Proc. VII Moscow Intern. Congress «Biotechnology: State of the Art and Prospects Development», March 19–22, 2013. Moscow. Russia. Part 2 2013, P.142-143