Polare Substitutionen auf der Oberfläche einer Lipase verbessern die Toleranz in organischen Lösungsmitteln erheblich

02.02.2022
  Haiyang Ocean Cui © BIO VI

Dr. Haiyang Cui, Markus Vedder, Prof. Dr. Lingling Zhang, Prof. Dr. Karl-Erich Jaeger, Prof. Dr. Ulrich Schwaneberg*, Dr. Mehdi D. Davari*, ChemSusChem, doi.org/10.1002/cssc.202102551

Oberflächenpolarisierung ist eine wirksame Strategie zur Erzeugung OS-toleranter Lipasen und anderer Enzyme

Die Biokatalyse in organischen (Co-)Lösungsmitteln (OS) bietet zahlreiche industriell attraktive Vorteile, z. B. die günstige Verschiebung von Reaktionsgleichgewichten, die erhöhte Löslichkeit von Substrat/Produkt, der Wechsel von Substratspezifität und Enantioselektivität, die Unterdrückung von wasserabhängigen Nebenreaktionen und die einfache Produktrückgewinnung. Enzymatische Reaktionen in OS ermöglichen es somit die Syntheseleistung von Enzymen mit der chemischen Synthese in industriellen und pharmazeutischen Bereichen effizient zu kombinieren. Allerdings führen OS häufig zu einem dramatischen Abfall der katalytischen Aktivität von Enzymen und sogar zu deren Deaktivierung. In diesem Artikel berichten wir über ein umfassendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen polaren Oberflächensubstitutionen und DMSO, indem wir die Molekulardynamik (MD)-Simulationen von 45 Varianten der Bacillus subtilis Lipase A (BSLA) und die Substitutionslandschaft der "BSLA-SSM"-Bibliothek kombinieren/integrieren. Die systematische Analyse von 39 auf Struktur-, Solvatations- und Wechselwirkungsenergie basierende Beobachtungen führten zur Erkenntnis, dass die Aufrechterhaltung der Hydratationsschale, die DMSO-Reduktion und die verringerte lokale Flexibilität zusammen die Stabilität der polaren Enzym-Varianten in OS bestimmen. Darüber hinaus zeigten die Fingerabdrücke von 1644 polaren Varianten in drei OS, dass der Austausch von aromatischen gegen polare Reste ein großes Potenzial zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen OS hat. Daher ist das Polar-Engineering an der Oberfläche eine wirksame Strategie zur Erzeugung OS-toleranter Lipasen und anderer Enzyme, wodurch der Katalysator an die gewünschte Reaktion und den Prozess mit OS angepasst werden kann. Die Entschlüsselung der molekularen Prinzipien, die zur Resistenz der Enzyme gegenüber OS führen, liefert außerdem wichtige Erkenntnisse für die Durchführung von Protein-Engineering-Kampagnen und die Förderung der Biokatalyse in OS.

Haiyang Cui wird durch das China Scholarship Council (CSC) Stipendium finanziell unterstützt. Diese Arbeit wurde in der Abteilung Computational Biology realisiert und wurde durch Rechenressourcen unterstützt, die von JARA-HPC der RWTH Aachen University (JARA0169 und JARA0187) bereitgestellt wurden.

Zugang zu der Publikation finden Sie unter Publikationen und Patente und unter

Cui, H., Vedder, M., Zhang, L., Jaeger, K. E. Schwaneberg, U, & D. Davari, M. Polar substitutions on the surface of a lipase substantially improve tolerance in organic solvents. ChemSusChem. https://doi.org/10.1002/cssc.202102551

 
  Wechselwirkungen zwischen polaren Oberflächen-Substitutionen und DMSO © ChemSusChem
 
 

Abbildung. Molekulardynamik (MD)-Simulationen von 45 Varianten von Bacillus subtilis Lipase A (BSLA) und die Substitutionslandschaft der "BSLA-SSM"-Bibliothek ermöglichten ein umfassendes molekulares Verständnis der Wechselwirkungen zwischen polaren Oberflächen-Substitutionen und DMSO.