In a recent study [Science, 2015, 347, 6224], protein engineering was used to design a core within the enzyme threonyl-tRNA synthetase (ThrRS) capable of stabilizing the coplanar transition state conformation of an inserted noncanonical p-biphenylalanine (BiPhe) residue. Using the X-ray crystal structures of the preliminary (Protein Data Bank entries 4S02, 4S0J, 4S0L, 4S0I, and 4S0K) and final (PDB entry 4S03) ThrRS proteins, fully quantum mechanical (QM) cluster models were constructed and analyzed. Density functional theory and molecular dynamics computations were performed to investigate the energetic profiles of BiPhe dihedral rotation within the ThrRS models. For the 4S03 model, results indicate that steric and hydrophobic forces of the residues surrounding BiPhe eliminate the coplanar transition state entirely. Molecular dynamics simulations were carried out that confirmed the extent of BiPhe rotational flexibility, and provided additional information on barrier heights of full BiPhe rotation. Transition states of near-coplanar biphenyl rings of BiPhe were found for the 4S0I and 4S0K models, but are not likely persistent on any observable timescale. The dihedral angle of the biphenyl moiety is thermally allowed to fluctuate within the ThrRS protein core models by a range of 17°–26°. BiPhe–residue interaction counts (RICs) were used to compare the interaction differences among the different ThrRS cores. The RICs demonstrate how BiPhe is compacted within the 4S03 core, resulting in the experimentally observed “trapped” coplanar transition state analogue. This work presents a unique application of QM-cluster models towards studying the inner workings of proteins, and suggests avenues that computational chemistry can be used to further guide bioengineering.

中文翻译：

---

过渡状态“被困”？苏糖基tRNA合成酶的QM簇模型

在最近的研究[科学，2015年，347，6224]，蛋白质工程来设计插入非规范酶苏氨酰-tRNA合成酶酶（ThrRS）能够稳定的共面过渡态构象内的芯p-联苯丙氨酸（BiPhe）残基。使用初步的（蛋白质数据库条目4S02、4S0J，4S0L，4S0I和4S0K）和最终的（PDB条目4S03）ThrRS蛋白的X射线晶体结构，构建并分析了全量子力学（QM）簇模型。进行密度泛函理论和分子动力学计算，以研究ThrRS模型中BiPhe二面角旋转的能量分布。对于4S03模型，结果表明BiPhe周围残基的空间和疏水力完全消除了共面过渡态。进行了分子动力学模拟，证实了BiPhe旋转柔性的程度，并提供了有关BiPhe完全旋转的势垒高度的其他信息。在4S0I和4S0K模型中发现了BiPhe的近共面联苯环的过渡态，但在任何可观察的时间尺度上都不可能持久。允许联苯部分的二面角在ThrRS蛋白核心模型内热波动17°–26°。BiPhe-残基相互作用计数（RICs）用于比较不同ThrRS核心之间的相互作用差异。RIC证明了BiPhe如何在4S03内核中压实，从而产生了实验观察到的“陷获”共面过渡态类似物。这项工作提出了QM群集模型在研究蛋白质内部工作中的独特应用，并提出了可以将计算化学用于进一步指导生物工程的途径。允许联苯部分的二面角在ThrRS蛋白核心模型内热波动17°–26°。BiPhe-残基相互作用计数（RICs）用于比较不同ThrRS核心之间的相互作用差异。RIC证明了BiPhe如何在4S03内核中压实，从而产生了实验观察到的“陷获”共面过渡态类似物。这项工作提出了QM群集模型在研究蛋白质内部工作中的独特应用，并提出了可以将计算化学用于进一步指导生物工程的途径。允许联苯部分的二面角在ThrRS蛋白核心模型内热波动17°–26°。BiPhe-残基相互作用计数（RICs）用于比较不同ThrRS核心之间的相互作用差异。RIC证明了BiPhe如何在4S03内核中压实，从而产生了实验观察到的“陷获”共面过渡态类似物。这项工作提出了QM群集模型在研究蛋白质内部工作中的独特应用，并提出了可以将计算化学用于进一步指导生物工程的途径。BiPhe-残基相互作用计数（RICs）用于比较不同ThrRS核心之间的相互作用差异。RIC证明了BiPhe如何在4S03内核中压实，从而产生了实验观察到的“陷获”共面过渡态类似物。这项工作提出了QM群集模型在研究蛋白质内部工作中的独特应用，并提出了可以将计算化学用于进一步指导生物工程的途径。BiPhe-残基相互作用计数（RICs）用于比较不同ThrRS核心之间的相互作用差异。RIC证明了BiPhe如何在4S03内核中压实，从而产生了实验观察到的“陷获”共面过渡态类似物。这项工作提出了QM簇模型在研究蛋白质内部工作方面的独特应用，并提出了可以将计算化学用于进一步指导生物工程的途径。