Mi chiamo Yao Wei e sono una studentessa al primo anno di dottorato in Scienze Farmacologiche, Biomolecolari, Sperimentali e Cliniche presso l’Università degli Studi di Milano. La mia ricerca, parte della Rete Dottorale MetRaZymes MSCA, si concentra sulla modellazione in silico di enzimi con meccanismo radicalico contententi metalli.

I metalli sono componenti importanti di tutti gli esseri viventi. Gli ioni metallici possono regolare direttamente alcuni processi vitali, come la ferroptosi, la morte da rame e l’immunità ai metalli, tra gli altri. Possono anche agire come cofattori per metalloenzimi e svolgere funzioni biologiche cruciali. I metalloenzimi di solito contengono uno o più ioni metallici di transizione necessari per la funzione e/o la struttura, come gli ioni di zinco (Zn²⁺), ferro (Fe²⁺/Fe³⁺), rame (Cu²⁺), manganese (Mn²⁺), cobalto (Co²⁺), molibdeno (Mo²⁺), nichel (Ni²⁺), ecc. Questi ioni metallici spesso formano legami di coordinazione con aminoacidi della proteina o altri cofattori, comportandosi come acidi di Lewis: trasferendo elettroni e consolidando la struttura proteica per permettere l’attività catalitica dei metalloenzimi.

Più di un terzo degli enzimi presenti in natura può essere classificato come metalloenzima, favorendo sei tipi principali di reazioni: ossidoreduttasi, idrolasi, trasferasi, polimerasi, isomerasi e ligasi. I metalloenzimi sono ampiamente presenti nel corpo umano e svolgono un ruolo chiave in quasi tutti i processi vitali, inclusa la sintesi e la degradazione molecolare, la trasduzione e la conversione del segnale, la regolazione epigenetica e la regolazione dinamica del sistema immunitario. Inoltre, un gran numero di metalloenzimi presenti nei microrganismi influenza indirettamente la vita dell’uomo. L’attività anomala o la sovraespressione dei metalloenzimi è strettamente correlata alle malattie umane e questi enzimi vengono considerati un’interessante classe di potenziali bersagli farmacologici. Attualmente, molti farmaci non biotecnologici in grado di interagire con metalloenzimi sono utilizzati nel trattamento di malattie cardiovascolari, tumori, infiammazioni cutanee, asma e altre condizioni. Inoltre, un gran numero di inibitori di metalloenzimi si trovano ora nella fase di sviluppo clinico.

Lo studio degli enzimi implica la manipolazione deliberata delle strutture proteiche per ottenere attività catalitiche desiderate o modificare la specificità del substrato. I metodi tradizionali si basano su tecniche sperimentali come l’evoluzione diretta e il design razionale, che sono lunghe, laboriose e spesso limitate dalle caratteristiche delle proteine presenti in natura. Al contrario, la progettazione degli enzimi al calcolatore sfrutta il potere degli algoritmi computazionali e della modellazione molecolare per semplificare il processo di progettazione ed esplorare ampie sequenze e spazi strutturali.

Ci sono due obiettivi principali nel mio progetto di ricerca di dottorato. In primo luogo, miro a utilizzare un modello di linguaggio proteico per sviluppare una pipeline in silico per classificare i substrati e gli inibitori di alcuni citocromi P450. In secondo luogo, utilizzo diversi strumenti computazionali, inclusi approcci di modellazione molecolare classica e strumenti di progettazione intelligente di enzimi artificiali, per ottimizzare le stilbene cleavage oxygenases (NOV1 e CsO2), l’eme-enzima limonene monossigenasi e l’ossigenasi che scinde i carotenoidi (HaCCD1). Per raggiungere questi obiettivi, utilizzo approcci computazionali per migliorare l’attività, la stabilità e la gamma di substrati degli enzimi. Le metodologie comprendono il docking molecolare e le simulazioni di dinamica molecolare per esplorare le relazioni struttura-funzione degli enzimi, calcoli quantomeccanici per studiare i meccanismi catalitici degli enzimi e strumenti di progettazione di proteine basati sull’apprendimento automatico per ingegnerizzare i siti attivi degli enzimi.

Questi sforzi di ricerca aiuteranno ad acquisire conoscenze nel campo della biocatalisi e favoriranno l’innovazione nell’industria chimica e farmaceutica.