A computational outlook on the catalysis exerted by the unique active site of MoCu CO dehydrogenases

Production and consumption processes in soil ecosystems contribute to the global bio­chemical cycles of many trace gases (CH4, CO, H2, N2O and NO) that are relevant for atmospheric chemistry and climate. Such small gas molecules play different role into the metabolism of microorganisms placed in soil that rely on specific metalloen­zymes for their transformation. Among these, molybdenum-­based metalloenzymes were evidenced to be crucial in such context. In particular, a specific molybdoen­zyme was reported to be involved in atmospheric CO oxidation. MoCu CO dehy­drogenases (MoCu CODH) is an enzyme found in aerobic carboxido­bacteria, such as Oligotropha carboxidovorans which represent one of the essential components in the biogeochemical carbon monoxide (CO) consumption. In fact, they contribute to maintenance of sub­toxic concentration of CO in the lower atmosphere by processing approximately 2×108 tons of it annually. This bacterial metalloprotein catalyses the oxidation of CO to CO2, while it can also split H2 in two protons and two electrons. Such reactions are performed thanks to a unique active site composed of two metals, a copper ion and a molybdenum one, linked together through a sulphur atom. Despite extended theoretical and experimental studies had been carried out concerning this enzyme, several aspects related to its reactivity have not been unravelled.In the present thesis, we focused on the in silico description of MoCu CODH in order to deepen the understanding of the reaction mechanisms catalysed by the enzyme. To do so, in the framework of density functional theory (DFT), we applied models of different sizes to obtain an accurate description of the system. In the context of CO oxidation catalysis, we evidenced that if a previously proposed thiocarbonate ­like intermediate is formed along the catalytic path, it does not repre­sent a rate ­limiting species on the enzymatic energy landscape, differently from results of previous theoretical studies. Moreover, we were able to suggest an alternative cat­alytic mechanism for the oxidation of CO that involves the direct role of a water molecule, activated by the sourrounding active site. As for the MoCu CODH hydrogenase activity, two plausible mechanisms for the splitting of H2 were presented. For the first time we suggested that the MoCu CODH active site may be viewed as a Frustrated Lewis Pair (FLP), and we proposed a FLP­-like mechanism for oxidation of the dihydrogen. Alternatively, a protonation event–e.g. Cu­-bound cysteine residue protonation – prior to binding of H2 to the active site proved to be necessary to present a plausible reactive channel.

I processi di produzione e consumo negli ecosistemi del suolo contribuiscono ai cicli biochimici globali di molti gas in tracce (CH4, CO, H2, N2O e NO) che sono rilevanti per la chimica atmosferica e il clima. Tali piccole molecole di gas svolgono ruoli diversi nel metabolismo dei microrganismi posti nel suolo che si basano su metalloenzimi specifici per la loro trasformazione. Tra questi, è stato dimostrato che i metalloenzimi a base di molibdeno sono cruciali in tale contesto. In particolare, è stato riportato che un molibdoenzima specifico è coinvolto nell'ossidazione della CO atmosferica. MoCu CO deidrogenasi (MoCu CODH) è un enzima presente nei carbossidobatteri aerobici, come Oligotropha carbossidovorans, che rappresentano uno dei componenti essenziali nel consumo biogeochimico di monossido di carbonio (CO). Essi infatti contribuiscono al mantenimento della concentrazione subtossica di CO nella bassa atmosfera elaborandone circa 2 × 108 tonnellate all'anno. Questa metalloproteina batterica catalizza l'ossidazione della CO a CO2, mentre può anche scindere H2 in due protoni e due elettroni. Tali reazioni vengono eseguite grazie a un sito attivo unico composto da due metalli, uno ione rame e uno molibdeno, legati tra loro tramite un atomo di zolfo. Nonostante siano stati condotti ampi studi teorici e sperimentali su questo enzima, diversi aspetti relativi alla sua reattività non sono stati ancora chiariti. Nella presente tesi ci siamo concentrati sulla descrizione in silico di MoCu CODH al fine di approfondire la comprensione dei meccanismi di reazione catalizzati dall'enzima. Per fare ciò, nel quadro della teoria del funzionale della densità (DFT), abbiamo applicato modelli di diverse dimensioni per ottenere una descrizione accurata del sistema. Nel contesto della catalisi dell'ossidazione della CO, abbiamo evidenziato che se un intermedio simile al tiocarbonato si forma lungo il percorso catalitico, non rappresenta una specie limitante la velocità nel panorama energetico enzimatico, a differenza di quanto proposto in base ai risultati di precedenti studi teorici. Inoltre, siamo stati in grado di suggerire un meccanismo catalitico alternativo per l'ossidazione della CO che coinvolge il ruolo diretto di una molecola d'acqua, attivata dal sito attivo circostante. Per quanto riguarda l'attività idrogenasica di MoCu CODH, sono stati presentati due meccanismi plausibili per la scissione di H2. Per la prima volta abbiamo suggerito che il sito attivo MoCu CODH possa essere visto come Frustrated Lewis Pairs (FLP) e abbiamo proposto un meccanismo tipo FLP per l'ossidazione del diidrogeno. In alternativa, un evento di protonazione, quale la protonazione del residuo di cisteina coordinata allo ione rame prima del legame di H2 al sito attivo, si è rivelato necessario per presentare un canale reattivo plausibile.