Verringerung von ungünstigen Salzbrücken auf der Enzymoberfläche führt zu einer höheren Resistenz gegenüber organischen (Co)-Lösungsmitteln

22.03.2021
  Haiyang "Ocean" Cui Urheberrecht: © Bio VI

Cui, H., Eltoukhy, L., Zhang, L., Markel, U., Jaeger, K. E., Davari, M. D., Schwaneberg, U., Angewandte Chemie, doi.org/10.1002/ange.202101642

Die Entfernung ungünstiger Salzbrücken auf der Enzymoberfläche erhöht die Stabilität der Enzyme in organische Lösungsmitteln sowie die Thermostabilität

Der Einsatz von organischen (Co-)Lösungsmitteln (OS) als Reaktionsmedium für Biokatalysatoren ist für eine Vielzahl von Anwendungen in der chemischen Industrie zwingend erforderlich. OSs werden benötigt, um hydrophobe Substrate und Produkte zu solubilisieren. Zudem ermöglichen sie eine einfache Produktrückgewinnung und verschieben das Reaktionsgleichgewicht in die gewünschte Richtung. Allerdings sind native Enzyme empfindlich gegenüber (Co-)Lösungsmitteln und haben eine geringere Aktivität, wodurch ihre Anwendung als Biokatalysatoren in OS einschränkt ist. In der vorliegenden Publikation berichten wir über eine intelligente Salzbrückendesignstrategie zur gleichzeitigen Verbesserung der OS-Resistenz und Thermostabilität des Modellenzyms Bacillus subtilits Lipase A (BSLA) und kombinierten umfassende experimentelle Studien von 3450 BSLA-Varianten sowie Molekulardynamik-Simulationen von 36 Systemen. Die iterative Rekombination von vier vorteilhaften Substitutionen ergaben resistente Varianten mit einer bis zu 7,6-fachen (D64K/D144K) verbesserten Resistenz gegenüber drei (Co-)Lösungsmitteln bei einer gleichzeitig signifikant gesteigerten Thermostabilität (thermische Resistenz bis zu 137-fach und Halbwertszeit bis zu 3,3-fach). Molekulardynamik-Simulationen zeigten, dass die lokale Flexibilität zusammen mit der verstärkten Hydratation für die stark erhöhte Resistenz in OSs bei Temperaturen von 50-100°C verantwortlich sind. Das Salzbrücken-Redesign bietet im Bereich Protein Engineering einen leistungsfähigen und wahrscheinlich allgemeinen Ansatz zum Design von OS- und/oder thermisch resistenten Lipasen und anderen α/β-Hydrolasen.

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., Eltoukhy, L., Zhang, L., Markel, U., Jaeger, K. E., Davari, M. D., Schwaneberg, U., Angewandte Chemie, doi.org/10.1002/ange.202101642

  Rationale Salzbrücken- Designstrategie: Enzymoberfläche und Organische Lösungsmittel interagieren Urheberrecht: © Angewandte Chemie International Edition Durch die Entfernung ungünstiger Salzbrücken auf der Enzymoberfläche kann die organische Lösungsmittel- und thermische Beständigkeit von Enzymen verbessert werden. Diese Strategie führt zu lokal verfeinerter Flexibilität und verstärkter Hydratation.