PRIN PNRR 2022 P2022MKWJJ - SMARFeS: Small Molecule Activation by Redesigned iron-sulfur (FeS) proteins-Finanziamento dell’Unione Europea – NextGenerationEU – missione 4, componente 2, investimento 1.1.-CUP:D53D23017150001

SMARFeS mira a fornire alla comunità scientifica le conoscenze teoriche e gli strumenti computazionali necessari per sviluppare proteine semplificate ridisegnate con siti attivi eterometallici, che ricordano i più complicati metalloenzimi rilevanti dal punto di vista bioenergetico. Questi sistemi saranno in grado di attivare e convertire piccole molecole legate all'energia. L'attivazione di piccole molecole (SMA) consente di trasformare entità semplici e inerti (ad esempio H2, CO2, N2) in prodotti chimici e biocarburanti a valore aggiunto, con chiare implicazioni nelle tecnologie per le energie rinnovabili. In natura, la SMA è mediata da metalloenzimi (ad esempio idrogenasi, CO-deidrogenasi, formiato deidrogenasi e nitrogenasi), che sono intricati dispositivi molecolari in grado di svolgere un compito così difficile in condizioni blande e con velocità ineguagliabili. In particolare, la maggior parte di esse: i) sono proteine FeS il cui nucleo reattivo minimo è caratterizzato da un'unità bimetallica, ii) presentano un sito eterometallico e iii) tasche catalitiche che aiutano la SMA attraverso precise interazioni con la seconda sfera di coordinazione. Grazie a un approccio sinergico computazionale/sperimentale, SMARFeS consentirà di trasferire i requisiti sopra elencati in impalcature proteiche [2Fe2S]ben studiate, ossia le proteine Rieske e mitoNEET, prese come punto di partenza e di riferimento per una traiettoria evolutiva artificiale. In generale, SMARFeS porterà alla razionalizzazione dei requisiti per la specificità dei metalli e, soprattutto, per la catalisi. Gli obiettivi principali di SMARFeS sono: i) lo sviluppo di piattaforme predittive all'avanguardia che assistano la progettazione di proteine eterobinucleari Rieske/mitoNEET-like e le dotino di attività catalitica, ii) l'applicazione della piattaforma, nella produzione di librerie mutanti computazionalmente guidate sia di proteine wild type sia di proteine miniaturizzate, iii) il perfezionamento della piattaforma, attraverso la caratterizzazione biofisica delle proteine prodotte, e iv) il test della piattaforma, come strumenti di progettazione efficienti per nuovi enzimi in grado di eseguire SMA specifici, come la produzione/consumo di H2 e la riduzione di CO2. Questi obiettivi saranno affrontati in diverse attività, riunite in due pacchetti di lavoro (WP) interconnessi: uno dedicato alla progettazione/produzione/caratterizzazione dei sistemi di interesse e uno dedicato all'ingegnerizzazione dell'attività catalitica. Un terzo WP è dedicato alla gestione del progetto e un intenso impegno sarà dedicato alla divulgazione e all'internazionalizzazione della ricerca. SMARFeS è proposto dall'unione di tre gruppi di ricerca che coinvolgono chimici, biochimici e chimici computazionali, con un forte background nello studio dei metalloenzimi e dei catalizzatori bimetallici bioispirati, in relazione alla SMA e alla produzione di idrogeno verde. Nel complesso, questo progetto può intrinsecamente consentire la definizione di una strategia generalizzabile per la produzione di proteine industrialmente rilevanti per la gestione dell'energia sostenibile, una questione urgente alla luce della nostra necessità di una rapida transizione verso la neutralità climatica.