KnowVolution einer GH5-Cellulase aus Penicillium verruculosum zur Verbesserung der Thermostabilität zum effizienten Biomasse-Abbau

02.09.2020
  Francisca Contreras Urheberrecht: BIO VI

Contreras, F., Thiele, M. J., Pramanik, S., Rozhkova, A. M., Dotsenko, A. S., Zorov, I. N., Sinitsyn, A. P., Davari, M. D. & Schwaneberg, U. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2020, 8, 12388–12399. DOI: 10.1021/acssuschemeng.0c02465

Das molekulares Verständnis für das Engineering von Cellulasen zur Erhöhung der Temperaturstabilität bietet ein großes Potential für den nachhaltige Abbau von Biomasse.

Cellulasen können beim Abbau von lignocellulose-haltiger Biomasse, sowie in der Zellstoff- und Papierherstellung eingesetzt werden und müssen bei hohen Temperaturen und rauen Reaktionsbedingungen aktiv sein. Da es sich bei Cellulasen um teure Komponenten in diesen Prozessen handelt, kann eine verlängerte Cellulase-Lebensdauer die Produktionskosten senken und eine nachhaltigere Produktion ermöglichen. Heutzutage hat sich das Protein-Engineering als eine wichtige Methode zur Verbesserung der Enzymeigenschaften etabliert. In diesem Artikel beschreiben wir eine KnowVolution-Kampagne der Cellulase PvCel5A aus Penicillium verruculosum zur Erhöhung der Temperaturstabilität. Bei KnowVolution Kampagnen werden experimentelle Arbeiten mit Methoden der computergestützten Proteinmodellierung kombiniert, um den experimentellen Aufwand zu minimieren. Die Ergebnisse für PvCel5A belegen, dass die eingesetzte Strategie erfolgreich war und liefern darüber hinaus ein molekulares Verständnis über die Rolle des C-Terminus bei der Verbesserung der Thermostabilität. Im Vergleich zum PvCel5A Wildtyp zeigte die Variante PvCel5A-R17 eine um das 5,5-fache verbesserte Halbwertszeit bei 75 °C (von 32 auf 175 min) und eine Erhöhung der Schmelztemperatur (Tm) um 7,7 °C. (von 70,8 bis 78,5 °C). Interessanterweise wurde die spezifische Aktivität von PvCel5A durch die Verbesserung der Schmelztemperatur nicht beeinträchtigt (hohe spezifische Aktivität erfordert Enzymflexibilität; Temperaturstabilität erfordert starke Wechselwirkungen / starre Strukturen). Alle Glycosidhydrolasen der Familie 5 (GH 5) weisen in ihrem C-Terminus ein (β / α) 8-Barrel als ein gemeinsames Merkmal auf. Daher kann das Stabilisierungskonzept wahrscheinlich auf andere GH5-Glycosidhydrolasen übertragen werden. Das molekulare Wissen, wie Cellulasen auf eine erhöhte Thermostabilität zugeschnitten werden können, bietet ein großes Potenzial für den enzymatischen Abbau und die vollständige Nutzung von Lignocellulose-haltiger Biomasse.

Abteilung für Computational Biology.

Diese Arbeit wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Projekt EnzyBioDeg (FKZ: 031B0506) Bioeconomy international finanziert. MD-Simulationen wurden mit Rechenressourcen durchgeführt, die von JARA-HPC von der RWTH Aachen im Rahmen des Projekts jara0187 bereitgestellt wurden.

  KnowVolution Protein-Engineering-Kampagne zur Verbesserung der Thermostabilität der Cellulase PvCel5A. Die spezifische Aktivität der Variante R17 wurde im Vergleich zum Wildtyp bei 75 °C um 100 % verbessert. Urheberrecht: ACS Sustainable Chem. Eng. KnowVolution Protein-Engineering-Kampagne zur Verbesserung der Thermostabilität der Cellulase PvCel5A. Die spezifische Aktivität der Variante R17 wurde im Vergleich zum Wildtyp bei 75 °C um 100 % verbessert.