Assessment of Enzyme Functionality at Metal–Organic Framework Interfaces Developed through Molecular Simulations

生物催化 化学 催化作用 可重用性 氢键 金属有机骨架 酶催化 分子动力学 组合化学 化学工程 有机化学 计算化学 分子 反应机理 吸附 工程类 计算机科学 程序设计语言 软件
作者
Jordan Chapman,Cerasela Zoica Dinu
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:39 (5): 1750-1763 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.2c02347
摘要

The catalytic efficiency and unrivaled selectivity with which enzymes convert substrates to products have been tapped for widespread chemical transformations within biomedical technology, biofuel production, gas sensing, and the upgrading of commodity chemicals, just to name a few. However, the feasibility of enzymes implementation is challenged by the lack of reusability and loss of native catalytic activity due to the irreversible biocatalyst denaturation at high temperatures and in the presence of industrial solvents. Enzyme immobilization, a prerequisite for enzyme reusability, offers controllable strategies for increased functional viability of the biocatalyst in a synthetic environment. Herein we used molecular dynamics (MD) simulations and probed the noncovalent interactions between model enzymes of technological interest, i.e., carbonic anhydrase (CA) and myeloperoxidase (MPO), with selected metal–organic frameworks (MOFs; MIL-160 and ZIF-8) of proven industrial implementation. We found that the CA and MPO can bind to MIL-160 at optimal binding energies of 201 and 501 kJ mol–1, respectively, that are strongly influenced by the increased incidence of hydrogen bonding between enzymes and the frameworks. The free energy of binding of enzymes to ZIF-8, on the other hand, was found to be less strongly influenced by hydrogen bonding networks relative to the occurrence of hydrophobic–hydrophobic interactions that yielded 106 kJ mol–1 for CA and 201 kJ mol–1 for MPO.
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