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Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 860 (2023) Citar este artigo

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Nós investigamos a desintoxicação mediada por lacase de aflatoxinas, contaminantes alimentares cancerígenos fúngicos. Nossa comparação experimental entre duas aflatoxinas com estruturas semelhantes (AFB1 e AFG2) mostra diferenças significativas na desintoxicação mediada por lacase. Uma abordagem de modelagem multiescala (Docking, Molecular Dynamics e Density Functional Theory) identifica as alterações altamente específicas do substrato necessárias para melhorar o desempenho desintoxicante da lacase. Empregamos uma abordagem baseada na teoria do funcional de densidade em grande escala, envolvendo mais de 7.000 átomos, para identificar os resíduos de aminoácidos que determinam a afinidade da lacase pelas aflatoxinas. A partir deste estudo, concluímos: (1) AFB1 é mais difícil de degradar, a ponto de parar completamente a degradação; (2) AFG2 é mais fácil de degradar pela lacase devido à sua falta de produtos secundários e dinâmica de ligação favorável; e (3) existem amplas oportunidades para otimizar a lacase para a degradação da aflatoxina, especialmente por meio de mutações que levam ao empilhamento π-π. Este estudo identifica uma forma de otimizar a lacase para a biorremediação de aflatoxinas e, de forma mais geral, contribui para os esforços de pesquisa voltados para a otimização racional de enzimas.

As aflatoxinas são metabólitos secundários fúngicos perigosos que contaminam regularmente culturas como milho, arroz, trigo e amendoim1. As aflatoxinas são produzidas pelo fungo do gênero Aspergillus e estão entre os poluentes naturais mais cancerígenos2. A contaminação por aflatoxinas é uma grande preocupação de segurança alimentar. Existem estratégias de desintoxicação físicas e químicas, mas elas podem afetar negativamente a qualidade dos alimentos e ser caras, não confiáveis ​​ou inseguras3,4. No esforço de desenvolver alternativas mais seguras, a recuperação de alimentos por meio de enzimas ambientalmente corretas tem sido proposta5. Para tanto, a lacase foi apontada como boa candidata6,7,8.

A lacase é uma enzima de interesse geral em biotecnologia9,10. É uma oxidase multicobre monomérica que catalisa a oxidação de um elétron juntamente com a redução total do oxigênio molecular a água. O sítio ativo consiste em três sítios de ligação de cobre com diferentes propriedades espectroscópicas e funcionais. O cobre azul tipo 1 é o aceptor de elétrons do substrato; o aglomerado trinuclear formado por cobre tipo 2 e cobre tipo 3 binuclear é o local de ligação e redução do oxigênio11. A lacase é taxonomicamente onipresente12 e funcionalmente versátil: sua ampla tolerância a substratos a torna relevante para aplicações industriais9. Entre as variantes naturais, as lacases fúngicas têm o maior potencial redox (E°), até 800 mV, no cobre tipo 112. Vários relatos existentes já identificaram lacases bacterianas e fúngicas que interagem com aflatoxinas6,13,14,15,16,17; no entanto, mesmo as isoformas mais ativas carecem de eficiência de tempo/custo para satisfazer as demandas atuais de desintoxicação de aflatoxinas na indústria de alimentos e rações. Pesquisas anteriores focaram na otimização do lacase, para diferentes funções, por meio de design racional ou evolução direcionada18,19,20. No contexto específico da degradação da aflatoxina, o docking molecular forneceu insights mecanísticos21, a análise da estrutura 3D de diferentes isoformas avaliou a interação com as aflatoxinas7 e a análise mutacional explorou mudanças benéficas22.

Neste trabalho, combinamos abordagens experimentais e computacionais para abrir caminho para uma otimização racional da lacase como um biorremediador de aflatoxina com foco na aflatoxina B1 (AFB1), o congênere mais cancerígeno. Empregamos lacase de Trametes versicolor (TV), uma espécie de fungo cujo nicho ecológico é adaptado em torno da degradação de lignina mediada por lacase23. Realizamos uma análise aprofundada da desintoxicação da principal molécula alvo, AFB1, por TV lacase para identificar os mecanismos por trás dos gargalos da reação. Nossos dados também incluem experimentos em um congênere AFB1, aflatoxina G2 (AFG2). Ao destacar as notáveis ​​diferenças na atividade da lacase em AFB1 e AFG2, apesar de sua semelhança estrutural, sugerimos que a melhoria da afinidade não pode ser alcançada pela especialização da enzima em uma categoria geral de compostos (por exemplo, hidrocarbonetos, estruturas aromáticas não fenólicas ou mesmo aflatoxinas como uma categoria ). Portanto, realizamos uma extensa caracterização mecânica quântica (QM) de alto detalhe em toda a estrutura de TV lacase ligada a AFB1 e AFG2, incluindo cerca de 7.000 átomos. Prevemos que resíduos de aminoácidos específicos sejam subótimos para a degradação da aflatoxina e propomos as mudanças estruturais relacionadas para resolver os gargalos da reação.