Comprehensive Understanding of Fluoroacetate Dehalogenase-Catalyzed Degradation of Fluorocarboxylic Acids: A QM/MM Approach

氟乙酸 QM/毫米 脱卤酶 降级(电信) 化学 催化作用 酶 生物化学 环境化学 组合化学 计算机科学 电信
作者
Yue Yue,Jiaqian Fan,Guoqing Xin,Qun Huang,Jian‐bo Wang,Yanwei Li,Qingzhu Zhang,Wenxing Wang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:55 (14): 9817-9825 被引量:47
标识
DOI:10.1021/acs.est.0c08811
摘要

Fluorochemicals are persistent, bioaccumulative, and toxic compounds that are widely tributed in the environment. Developing efficient biodegradation strategies to decompose the fluorochemicals via breaking the inert C-F bonds presents a holistic challenge. As a promising biodegradation enzyme candidate, fluoroacetate dehalogenase (FAcD) has been reported as the only non-metallic enzyme to catalyze the cleavage of the strong C-F bond. Here, we systematically investigated the catalytic actions of FAcD toward its natural substrate fluoroacetate using molecular dynamics simulations and quantum mechanism/molecular mechanism calculations. We propose that the enzymatic transformation involves four elementary steps, (I) C-F bond activation, (II) nucleophilic attack, (III) C-O bond cleavage, and (IV) proton transfer. Our results show that nucleophilic attack is the rate-determining step. However, for difluoroacetate and trifluoroacetate, C-F bond activation, instead of nucleophilic attack, becomes the rate-determining step. We show that FAcD, originally recognized as α-fluorocarboxylic acid degradation enzyme, can catalyze the defluorination of difluoroacetate to glyoxylate, which is captured by our high-resolution mass spectrometry experiments. In addition, we employed amino acid electrostatic analysis method to screen potential mutation hotspots for tuning FAcD's electrostatic environment to favor substrate conversion. The comprehensive understanding of catalytic mechanism will inform a rational enzyme engineering strategy to degrade fluorochemicals for benefits of environmental sustainability.
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