A Computational Pipeline to Study Donor Substrate Binding to the Wild-Type and Mutants of a Xanthan Gum Glycosyltransferase
(2024) KBTM05 20241Biotechnology
Biotechnology (MSc)
- Abstract
- Polysaccharides are a versatile group of biopolymers widely utilized in a range of industries, from food and medicine to construction. Engineering of the enzymes involved in the synthesis of polysaccharides could provide a way to chemically modify the composition, and therefore be used as a tool to obtain polysaccharides with new desired properties. In this thesis, the substrate binding to the donor domain of GumK, an enzyme involved in the synthesis of the commercially important polysaccharide Xanthan, was studied using molecular docking. Both the native substrate, uridine diphosphate glucuronic acid (UDP-GlcA), and the analog uridine diphosphate glucose (UDP-Glc) were docked to GumK to gain insight to what causes the enzyme’s... (More)
- Polysaccharides are a versatile group of biopolymers widely utilized in a range of industries, from food and medicine to construction. Engineering of the enzymes involved in the synthesis of polysaccharides could provide a way to chemically modify the composition, and therefore be used as a tool to obtain polysaccharides with new desired properties. In this thesis, the substrate binding to the donor domain of GumK, an enzyme involved in the synthesis of the commercially important polysaccharide Xanthan, was studied using molecular docking. Both the native substrate, uridine diphosphate glucuronic acid (UDP-GlcA), and the analog uridine diphosphate glucose (UDP-Glc) were docked to GumK to gain insight to what causes the enzyme’s specificity. When analyzing a larger number of poses, a difference in the distribution was seen, where the native substrate contained more poses with an interaction between the carboxylic group and K307. Generating and analyzing the distribution of the poses could, therefore, potentially be used as a method to screen for mutants with an altered specificity towards UDP-Glc. A number of mutants were tested, but none of them seemed to have an identical UDP-Glc distribution to that obtained from docking UDP-GlcA to the wild type. However, to really draw a conclusion regarding the activity for the mutants tested, and the accuracy of the method used, experimental data is needed. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- I en allt varmare värld där resurserna börjar ta slut är behovet av mer miljövänliga material och bränslen större än någonsin. Kan kolhydrater, ett av naturens mest förekommande organiska material, vara en del av lösningen för ett mer hållbart samhälle?
Kolhydrater består av en eller flera sammansatta sockermolekyler. Det finns en mängd olika varianter av kolhydrater som används inom allt från mat till kläder och medicin (1). Bildandet av kolhydrater möjliggörs av enzymer, specifika proteiner som fungerar som katalysatorer och påskyndar kemiska reaktioner. Dessa verkar exempelvis genom att katalysera sammansättningen av två sockermolekyler under byggandet av en längre sockerkedja.
Om man lyckas modifiera de enzymer som är delaktiga... (More) - I en allt varmare värld där resurserna börjar ta slut är behovet av mer miljövänliga material och bränslen större än någonsin. Kan kolhydrater, ett av naturens mest förekommande organiska material, vara en del av lösningen för ett mer hållbart samhälle?
Kolhydrater består av en eller flera sammansatta sockermolekyler. Det finns en mängd olika varianter av kolhydrater som används inom allt från mat till kläder och medicin (1). Bildandet av kolhydrater möjliggörs av enzymer, specifika proteiner som fungerar som katalysatorer och påskyndar kemiska reaktioner. Dessa verkar exempelvis genom att katalysera sammansättningen av två sockermolekyler under byggandet av en längre sockerkedja.
Om man lyckas modifiera de enzymer som är delaktiga i uppbyggnaden av kolhydrater så att de sätter ihop andra typer av sockermolekyler än vanligt, kan det fungera som ett verktyg för att skapa nya kolhydrater med önskade egenskaper. Detta skulle i sin tur kunna öppna upp dörrarna för ännu fler applikationer av denna biomolekyl.
Beräkningsbiologi använder datorer för att lösa biologiska problem och erbjuder verktyg för att både förstå och designa enzymer. I detta examensarbete har beräkningsbiologiska metoder använts för att studera ett enzym som kallas GumK. GumK är delaktigt i syntetiseringen av den kommersiellt viktiga kolhydraten xantan som används bland annat som förtjocknings- och stabiliseringsmedel i livsmedel. Mer specifikt sätter den på sockermolekylen glukuronsyra under uppbyggnaden av kolhydratkedjan.
Det är inte helt känt varför GumK endast kan använda just glukuronsyra och inte andra liknande sockermolekyler, som exempelvis glukos. I ett försök att svara på den frågan analyserades geometrin av både glukuronsyra och glukos när det var bundet till enzymet. Det observerades en skillnad i hur de två molekylerna var orienterade i relation till GumK. Dessa resultat kan eventuellt tillämpas för att leta efter varianter av GumK som kan använda andra sockermolekyler, såsom glukos, och på så sätt ändra uppsättningen av xantan för att potentiellt utöka dess användningsområden. Ett antal enzymvarianter analyserades, men ingen verkade ha en tydlig ändrad preferens för glukos. För att kunna dra en slutsats kring hur realistiska resultaten är och om metoden verkligen kan användas på detta sätt skulle de behöva jämföras med experimentell data. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9164619
- author
- Alenfalk, Tova LU
- supervisor
- organization
- course
- KBTM05 20241
- year
- 2024
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- biotechnology, molecular docking, computational biology, glycosyltransferases, substrate binding, enzyme engineering
- language
- English
- id
- 9164619
- date added to LUP
- 2024-06-24 09:34:41
- date last changed
- 2024-06-24 09:34:41
@misc{9164619,
abstract = {{Polysaccharides are a versatile group of biopolymers widely utilized in a range of industries, from food and medicine to construction. Engineering of the enzymes involved in the synthesis of polysaccharides could provide a way to chemically modify the composition, and therefore be used as a tool to obtain polysaccharides with new desired properties. In this thesis, the substrate binding to the donor domain of GumK, an enzyme involved in the synthesis of the commercially important polysaccharide Xanthan, was studied using molecular docking. Both the native substrate, uridine diphosphate glucuronic acid (UDP-GlcA), and the analog uridine diphosphate glucose (UDP-Glc) were docked to GumK to gain insight to what causes the enzyme’s specificity. When analyzing a larger number of poses, a difference in the distribution was seen, where the native substrate contained more poses with an interaction between the carboxylic group and K307. Generating and analyzing the distribution of the poses could, therefore, potentially be used as a method to screen for mutants with an altered specificity towards UDP-Glc. A number of mutants were tested, but none of them seemed to have an identical UDP-Glc distribution to that obtained from docking UDP-GlcA to the wild type. However, to really draw a conclusion regarding the activity for the mutants tested, and the accuracy of the method used, experimental data is needed.}},
author = {{Alenfalk, Tova}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{A Computational Pipeline to Study Donor Substrate Binding to the Wild-Type and Mutants of a Xanthan Gum Glycosyltransferase}},
year = {{2024}},
}