Enhancing L-Asparaginase Catalytic Activity for Improved Antileukemic Activity: a Computational Study on Thermococcus Kodakarensis L-Asparaginase Mutations

Abstract

In this study, thermostable Thermococcus kodakarensis L-asparaginase (TkA) enzyme, which lacks glutaminase activity, was studied for its structural and dynamic properties. The structural and dynamic properties of TkA, was investigated in its apo state and with the L-asparagine ligand to understand how the active site and general structure of the TkA enzyme changes with ligand binding and what effect this interaction has on the general behavior of the enzyme. T11E, T55E and D86S mutants of TkA were examined by molecular docking and molecular dynamics simulations. Binding results for molecular docking indicate that the structure is largely conserved, with root mean square deviation (RMSD) scores of −5.2 to −5.7 nm for wildtype TkA and mutants. RMSD and root mean square fluctuations (RMSF) data obtained as a result of molecular dynamics studies showed that the mutants had a stability close to that of the WT TkA enzyme, between 0.15 and 0.16 nm. In general, solvent accessible surface area (SASA) and radius of gyration analysis results support this analysis, while the D86S mutant gave more effective results than other mutants with SASA value of 260.38 nm2 /ns and radius of gyration values of 2.61 nm/ns. The total interaction energy of the ligand and WT TkA was -337.98 kJ/mol, while the interaction energy for D86S mutant was larger, at -363.03 kJ/mol. In conclusion, the study showing how the structure and dynamics of the TkA enzyme are affected by thebinding of L-asparagine ligand helps to understand the stability and functional behavior of the enzyme.Bu çalışmada glutaminaz aktivitesi olmayan termostabil Thermococcus kodakarensis L-asparaginaz (TkA) enziminin yapısal ve dinamik özellikleri incelenmiştir. TkA enziminin aktif bölgesinin ve genel yapısının ligand bağlanmasıyla nasıl değiştiğini ve bu etkileşimin TkA'nın genel davranışı üzerinde ne gibi bir etkiye sahip olduğunu anlamak için TkA'nın yapısal ve dinamik özellikleri, apo durumunda ve L-asparajin ligandı ile araştırıldı. TkA'nın T11E, T55E ve D86S mutantları, moleküler kenetleme ve moleküler dinamik simülasyonları ile incelendi. Moleküler kenetlenme için bağlanma sonuçları, vahşi tip TkA ve mutantlar için kök ortalama kare sapma (RMSD) skorlarının -5,2 ila -5,7 nm olmasıyla yapının büyük ölçüde korunduğunu göstermektedir. Moleküler dinamik çalışmaları sonucunda elde edilen RMSD ve kök ortalama kare dalgalanmaları (RMSF) verileri, mutantların 0,15 ile 0,16 nm arasında WT TkA enzimine yakın bir stabiliteye sahip olduğunu gösterdi. Genel olarak çözücüyle erişilebilir yüzey alanı (SASA) ve dönme yarıçapı analiz sonuçları bu analizi desteklerken, D86S mutantı SASA değeri 260,38 nm2 /ns ve dönme yarıçapı değeri 2,61 nm/ns ile diğer mutantlara göre daha etkili sonuçlar verdi. Ligandın ve WT TkA'nın toplam etkileşim enerjisi -337,98 kJ/mol iken D86S mutantının etkileşim enerjisi -363,03 kJ/mol ile daha büyüktü. Sonuç olarak, TkA enziminin yapısının ve dinamiğinin L-asparajin ligandının bağlanmasından nasıl etkilendiğini gösteren çalışma, enzimin stabilitesinin ve fonksiyonel davranışının anlaşılmasına yardımcı olmaktadır.