Dinâmica molecular da lipase em sistemas aquosos bifásicos baseados em líquidos iônicos

Abstract

Sistemas aquosos bifásicos (SAB) com líquidos iônicos (LI) representam a tecnologia promissora para a purificação de enzimas de interesse comercial, mas a influência da estrutura do líquido iônico na estabilidade enzimática durante a partição permanecia pouco compreendida. Neste contexto, este trabalho investigou, através de técnicas computacionais, o impacto do comprimento da cadeia alquílica de ânions à base de colina no particionamento e a integridade estrutural da lipase. Para isso, empregaram-se simulações de dinâmica molecular (MD) combinadas com análises termodinâmicas e estruturais avançadas. Os resultados demonstraram que a lipase se comportou como hidrofílica, e que o aumento da cadeia alquílica do ânion intensificou seu particionamento para a fase aquosa. Contudo, essa maior eficiência de partição veio acompanhada de uma transição conformacional complexa: observou-se aumento da área de superfície acessível ao solvente (SASA) simultâneo a diminuição do raio de giro (RG). A análise de estrutura secundária (DSSP) revelou que este rearranjo se deveu à formação de α-hélices na superfície da enzima, e não a desnaturação generalizada. Adicionalmente, as análises da termodinâmica da solvatação elucidaram um segundo paradoxo: enquanto a MDDF mostrou que os ânions do LI estabeleceram interações fortes e localizadas com a lipase, a análise de KBI indicou que, em média, foram mais excluídos que o cátion colina, que interagiu de forma mais difusa. O estudo, portanto, concluiu que o design da cadeia alquílica do líquido iônico modula um delicado equilíbrio entre a eficiência da extração e a estabilidade da enzima, fornecendo mecanismo molecular detalhado que é crucial para o desenvolvimento racional de bioprocessos.

Ionic liquid (IL)-based aqueous two-phase systems (ATPS) are a promising technology for enzyme purification, yet the influence of the ionic liquids structure on enzymatic stability during partitioning has remained poorly understood. In this context, this work investigated, through computational techniques, the impact of the anion alkyl chain length in choline-based ILs on the partitioning and structural integrity of lipase. To this end, molecular dynamics (MD) simulations were combined with advanced thermodynamic and structural analyses. The results demonstrated that the lipase exhibited hydrophilic behavior, and that increasing the anion's alkyl chain length enhanced its partitioning into the aqueous phase. However, this improved partitioning efficiency was accompanied by a complex conformational transition, featuring a simultaneous increase in the solvent-accessible surface area (SASA) and a decrease in the radius of gyration (RG). Secondary structure analysis (DSSP) revealed that this rearrangement was due to the formation of α-helices on the enzyme's surface, rather than to general denaturation. Furthermore, solvation thermodynamics analyses elucidated a second paradox: while Minimum Distance Distribution Functions (MDDF) showed strong, localized interactions between the anions and the lipase, Kirkwood-Buff Integral (KBI) analysis indicated that, on a volumetric average, these anions were more excluded from the protein's vicinity than the more diffusely interacting choline cation. This study, therefore, concludes that the anion design modulates a delicate balance between extraction efficiency and enzyme stability, providing a detailed molecular mechanism that is crucial for the rational design of bioprocesses.