Abstract Lipids are necessary for living organisms and have various roles as, energy sources, hormone precursors and as components of membrane structures. Fatty acid β-oxidation is a pathway of energy metabolism, in which the fatty acyl-CoAs are degraded in several steps. Peroxisomal β-oxidation systems are found in all eukaryotes studied thus far, but the existence of a mitochondrial system is established in mammals only. Multifunctional enzyme type 2 (MFE-2) has been characterized from various species and is responsible for catalyzing the second and third steps in the R-specific peroxisomal β-oxidation pathway. MFE-2 accepts a wide range of substrates and displays great variation in domain organization and overall molecular mass. The crystal structures of individual domains of MFE-2 from several species have been determined previously. In this study, the structural knowledge of MFE-2 is further extended from the domain level to the assembly of the full-length enzyme. The crystal structure of Drosophila melanogaster MFE-2 (DmMFE-2) was solved at 2.15 Å resolution. The enzyme is a homodimer with 3R-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase and 2E-enoyl-CoA hydratase 2 activities residing on each of the polypeptide subunits. Kinetic data combined with information from the structure, suggest that the catalytic domains of DmMFE-2 work as separate entities. It also appears that the enzyme does not assemble into dimers in vitro when the catalytic subunits are introduced in a solution as stand-alone proteins. The data were confirmed by two different methods, static light scattering and small-angle X-ray scattering. However, the primary use of SAXS was not to monitor the formation of dimers in solution, but instead it was used for structure determination of the human MFE-2. During the process, the structural information from DmMFE-2 was used as a scaffold for the human homolog. After collecting a wide range of SAXS data and numerous calculations, a plausible low resolution solution structure of human MFE-2 was obtained. The model reveals the overall assembly of the enzyme and the locations of the C-terminal SCP-2L domains (an unspecific lipid carrier), thus enabling further hypotheses regarding the possible role of the SCP-2L domain in the enzymatic reaction. / Tiivistelmä Lipidit eli rasva-aineet ovat välttämättömiä eliöille ja niillä on lukemattomia rooleja mm. energianlähteinä, kalvojen rakenteina ja hormonien esiasteina. Rasvahappoja hajotetaan monivaiheisella metaboliareitillä, jota kutsutaan β-oksidaatioksi. Peroksisomaalinen rasvojen hajotusreitti on löydetty kaikista tähän asti tutkituista aitotumallisista, mutta mitokondrioissa tapahtuva rasvojen β-oksidaatio on löydetty vain nisäkkäiltä. Peroksisomaalinen monitoiminen entsyymi tyyppi 2 (MFE-2) katalysoi toisen ja kolmannen reaktion R-spesifisellä rasvahappojen hajotusreitillä ja se on karakterisoitu useilta eri lajeilta. MFE-2 muodostaa lajista riippuen hyvin erilaisia ja molekyylimassaltaan erikokoisia alayksikköyhdistelmiä, jotka pystyvät katalysoimaan erityyppisten substraattien hapetuksen. Eri lajien MFE-2:n yksittäisten alayksiköiden kiderakenteet ovat olleet tunnettuja jo vuosia. Tässä tutkimuksessa rakennetietämys laajenee MFE-2:n osalta alayksikkötasolta kokopitkän entsyymin tasolle, sillä banaanikärpäsen MFE-2:n (DmMFE-2) kiderakenne selvitettiin 2.15 ångströmin erotuskyvyllä. Tämä homodimeerinen entsyymi kantaa samassa polypeptidissä sekä 3R-hydroksiasyyli-KoA-dehydrogenaasi, että 2E-enoyyli-KoA-hydrataasi 2 -aktiivisuuksia. Kiderakenteen ja reaktiokinetiikan perusteella tehtiin johtopäätös, jonka mukaan DmMFE-2:n alayksiköt toimivat itsenäisinä kokonaisuuksinaan. Staattisen valonsironnan (SLS) ja röntgenpienkulmasirontamittauksien (SAXS) perusteella MFE-2:n erillisinä tuotetut alayksiköt eivät muodosta liuoksessa spontaanisti kokopitkän MFE-2:n kaltaisia oligomeerejä. Ihmisen MFE-2:n alhaisen erotuskyvyn malli määritettiin röntgenpienkulmasirontatekniikan avulla. Tässä prosessissa käytettiin hyväksi banaanikärpäsen entsyymin tarjoamaa rakennetietoa, jonka perusteella rakennettiin ensin runko ihmisen MFE-2:lle. Monivaiheisen prosessin jälkeen saatiin lopulta laskettua vakuuttava malli, joka paljastaa ensimmäistä kertaa ihmisen kokopitkän MFE-2:n rakenteen ja antaa mahdollisuuden tehdä alustavia johtopäätöksiä karboksiterminaalisen lipidejä epäspesifisesti sitovan alayksikön (SCP-2L) biologisesta roolista osana tätä monitoimista entsyymiä.

Abstract Enzymes are potentially superior as catalysts for many industrial chemical processes because of their high specificity, selectivity, minimum energy requirement and environmental friendliness. However, many challenges remain in order to exploit fully the potential of industrial enzymes. The qualities which are needed are catalytic proficiency, availability in high quantities, low price, low product inhibition, and high activity and stability under process conditions. Directed evolution and rational design are the most common strategies to produce enzymes with the desired properties. The TIM barrel is the most frequent and most versatile fold among naturally occurring enzymes. In all known TIM barrel enzymes, the catalytically active residues are located at one end of the barrel structure, while residues maintaining the stability of the fold are found on the opposite end of the barrel. This special architecture of the TIM barrel proteins makes it possible to change catalytic activity of the protein without compromising its stability, which is a perfect start for protein engineering studies. In this research project, a monomeric triosephosphate isomerase (TIM) variant with an engineered binding groove (A-TIM) was created by using a rational design approach. The major aims of this work were (i) to find novel binders and (ii) characterize the new, bigger binding groove using X-ray crystallographic methods. These studies have discovered that monomeric A-TIM can bind compounds completely different from the natural substrate. Studies on three different classes of binder molecules are reported: (i) true substrate analogues of wild type TIM, (ii) substrate analogues that have an extended hydrophobic tail, and (iii) more extended, phosphate containing substrate analogues. In addition to this, the A-TIM active site was shown to be competent. In general these studies illustrate the importance of protein crystallography for characterizing the binding properties of enzyme variants being studied in enzyme discovery projects. / Tiivistelmä Entsyymit voivat toimia ylivoimaisina katalyytteinä monissa kemianteollisuuden prosesseissa johtuen niiden hyvästä spesifisyydestä, valikoimiskyvystä, alhaisesta energiantarpeesta ja ympäristöystävällisyydestä. Näistä ominaisuuksista huolimatta entsyymien kaikkien mahdollisuuksien hyödyntämisen esteenä on monia haasteita. Tarvittavia ominaisuuksia ovat katalyyttinen tehokkuus, saatavuus suurina määrinä, alhainen hinta, alhainen tuoteinhibitio sekä korkea aktiivisuus ja stabiilisuus prosessiolosuhteissa. TIM-tynnyrirakenne on yleisin ja monipuolisin proteiinien laskostumisrakenne luonnossa esiintyvissä entsyymeissä. Tässä rakenteessa katalyyttisesti aktiiviset aminohappotähteet ovat sijoittuneet tynnyrirakenteen toiselle puolelle, kun taas stabiilisuuden kannalta tärkeät aminohappotähteet ovat sijoittuneet kokonaan toiselle puolelle. Tämä erityinen rakenne antaa mahdollisuuden muokata proteiinin katalyyttistä aktiivisuutta vaikuttamatta haitallisesti sen stabiilisuuteen. Tämä on täydellinen lähtökohta proteiininmuokkaukselle. Tässä tutkimusprojektissa käytettiin ns. järkiperäistä suunnittelua monomeerisen trioosifosfaatti-isomeraasivariantin (A-TIM) luomisessa. Tämän tutkimustyön pääasialliset tavoitteet olivat (i) uusien sitoutujien löytäminen ja (ii) uuden, suuremman sitoutumistaskun ominaisuuksien määrittäminen röntgenkristallografisilla menetelmillä. Tässä tutkimuksessa havaittiin, että A-TIM kykenee sitomaan yhdisteitä, jotka ovat täysin erilaisia luonnolliseen substraattiin verrattuna. Tässä tutkimuksessa kuvaillaan kolmenlaisia sitoutujia: (i) todelliset villityypin entsyymin substraattianalogit, (ii) substraattianalogit, joihin on liitetty hydrofobinen hiilivetyketju ja (iii) villityypin substraattia suuremmat sokerifosfaatit. Tämän lisäksi A-TIM:n aktiivisen keskuksen todistettiin olevan toimintakykyinen. Yleisellä tasolla tämä tutkimus osoittaa röntgenkristallografisten menetelmien tärkeyden entsyymienmuokkausprojekteissa, joissa entsyymivarianttien ominaisuuksien määritys on tärkeää.