Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Nâng cao khả năng chịu nhiệt của phytase Aspergillus niger PhyA qua so sánh cấu trúc và mô phỏng tính toán
Tóm tắt
Phytase được cung cấp trong thức ăn cho động vật nhai đơn có vai trò quan trọng trong việc cải thiện sự hấp thụ chất dinh dưỡng và giảm ô nhiễm phospho. Các phytase có độ bền nhiệt cao đặc biệt được ưu thích do khả năng chịu được nhiệt độ cao tạm thời trong quá trình ép viên thức ăn. Việc so sánh cấu trúc tinh thể của phytase PhyA (AnP) từ Aspergillus niger, một sản phẩm công nghiệp được sử dụng rộng rãi, với người đồng dạng gần gũi của nó, phytase nhiệt độ ổn định từ Aspergillus fumigatus (AfP), đã gợi ý về 18 amino acid trong ba phân đoạn có liên quan đến khả năng chịu nhiệt. Trong công trình này, chúng tôi hướng tới việc cải thiện độ bền nhiệt của AnP thông qua đột biến định hướng. Chúng tôi đã xác định các đột biến hợp lý dựa trên so sánh cấu trúc giữa các phytase đồng dạng và mô phỏng động lực học phân tử. Một phytase tái tổ hợp (AnP-M1) đã được tạo ra bằng cách thay thế 18 amino acid trong AnP bằng các tương đương từ AfP. AnP-M1 cho thấy độ bền nhiệt cao hơn AnP ở 70 °C. Mô phỏng động lực học phân tử đã gợi ý rằng các tương tác hình thành liên kết hydro mới với chín amino acid đã thay thế là nguyên nhân cải thiện khả năng chịu nhiệt. Do đó, một phytase tái tổ hợp khác (AnP-M2) chỉ với chín thay đổi điểm này đã được tạo ra. AnP-M2 thể hiện độ bền nhiệt vượt trội giữa tất cả các AnP ở nhiệt độ ≥70 °C: AnP-M2 duy trì 56% hoạt động tối đa sau khi ủ ở 80 °C trong 1 giờ; AnP-M2 giữ lại hoạt động dư thừa vượt hơn 30 điểm phần trăm so với AnP và AnP-M1 sau 1 giờ ủ ở 90 °C. AnP-M2 là ứng cử viên hấp dẫn trong các ứng dụng công nghiệp, đồng thời chín điểm thay thế trong AnP-M2 mang lại lợi ích cho độ bền nhiệt của phytase. Công trình này chứng minh rằng chiến lược kết hợp so sánh cấu trúc của các enzyme đồng dạng và mô phỏng tính toán để tập trung vào các tương tác quan trọng là một phương pháp hiệu quả để đạt được enzyme có khả năng chịu nhiệt.
Từ khóa
#phytase #Aspergillus niger #nhiệt độ #enzyme #mô phỏng động học phân tử #đột biến định hướngTài liệu tham khảo
Tahir M, Shim MY, Ward NE, Smith C, Foster E, Guney AC, Pesti GM. Phytate and other nutrient components of feed ingredients for poultry. Poult Sci. 2012;91:928–35.
Chen CC, Cheng KJ, Ko TP, Guo RT. Current progresses in phytase research: three-dimensional structure and protein engineering. ChemBioEng Rev. 2015;2:76–86.
Schindler DW. Evolution of phosphorus limitation in lakes. Science. 1977;195:260–2.
Abelson PH. A potential phosphate crisis. Science. 1999;283:2015.
Wodzinski RJ, Ullah AH. Phytase. Adv Appl Microbiol. 1996;42:263–302.
Cromwell GL. ASAS centennial paper: landmark discoveries in swine nutrition in the past century. J Anim Sci. 2009;87:778–92.
Greiner R, Farouk AE, Carlsson NG, Konietzny U. Myo-inositol phosphate isomers generated by the action of a phytase from a malaysian waste-water bacterium. Protein J. 2007;26:577–84.
Adeola O, Cowieson AJ. Board-Invited Review: opportunities and challenges in using exogenous enzymes to improve nonruminant animal production. J Anim Sci. 2011;89:3189–218.
Wu TH, Chen CC, Cheng YS, Ko TP, Lin CY, Lai HL, Huang TY, Liu JR, Guo RT. Improving specific activity and thermostability of Escherichia coli phytase by structure-based rational design. J Biotechnol. 2014;175:1–6.
Wyss M, Brugger R, Kronenberger A, Remy R, Fimbel R, Oesterhelt G, Lehmann M, van Loon AP. Biochemical characterization of fungal phytases (myo-inositol hexakisphosphate phosphohydrolases): catalytic properties. Appl Environ Microbiol. 1999;65:367–73.
Wyss M, Pasamontes L, Remy R, Kohler J, Kusznir E, Gadient M, Muller F, van Loon AP. Comparison of the thermostability properties of three acid phosphatases from molds: aspergillus fumigatus phytase, A. Niger phytase, and A. Niger PH 2.5 acid phosphatase. Appl Environ Microbiol. 1998;64:4446–51.
Xiang T, Liu Q, Deacon AM, Koshy M, Kriksunov IA, Lei XG, Hao Q, Thiel DJ. Crystal structure of a heat-resilient phytase from aspergillus fumigatus, carrying a phosphorylated histidine. J Mol Biol. 2004;339:437–45.
Pasamontes L, Haiker M, Wyss M, Tessier M, van Loon AP. Gene cloning, purification, and characterization of a heat-stable phytase from the fungus aspergillus fumigatus. Appl Environ Microbiol. 1997;63:1696–700.
Tomschy A, Tessier M, Wyss M, Brugger R, Broger C, Schnoebelen L, van Loon AP, Pasamontes L. Optimization of the catalytic properties of aspergillus fumigatus phytase based on the three-dimensional structure. Protein Sci. 2000;9:1304–11.
Jaenicke R, Schurig H, Beaucamp N, Ostendorp R. Structure and stability of hyperstable proteins: glycolytic enzymes from hyperthermophilic bacterium Thermotoga maritima. Adv Protein Chem. 1996;48:181–269.
Vogt G, Woell S, Argos P. Protein thermal stability, hydrogen bonds, and ion pairs. J Mol Biol. 1997;269:631–43.
Zhang W, Mullaney EJ, Lei XG. Adopting selected hydrogen bonding and ionic interactions from aspergillus fumigatus phytase structure improves the thermostability of aspergillus Niger PhyA phytase. Appl Environ Microbiol. 2007;73:3069–76.
Ragon M, Hoh F, Aumelas A, Chiche L, Moulin G, Boze H. Structure of Debaryomyces castellii CBS 2923 phytase. Acta Crystallogr Sect F Struct Biol Cryst Commun. 2009;65:321–6.
Wijma HJ, Floor RJ, Jekel PA, Baker D, Marrink SJ, Janssen DB. Computationally designed libraries for rapid enzyme stabilization. Protein Eng Des Sel. 2014;27:49–58.
van Hartingsveldt W, van Zeijl CM, Harteveld GM, Gouka RJ, Suykerbuyk ME, Luiten RG, van Paridon PA, Selten GC, Veenstra AE, van Gorcom RF, et al. Cloning, characterization and overexpression of the phytase-encoding gene (phyA) of aspergillus Niger. Gene. 1993;127:87–94.
Mullaney EJ, Locovare H, Sethumadhavan K, Boone S, Lei XG, Ullah AH. Site-directed mutagenesis of disulfide bridges in aspergillus Niger NRRL 3135 phytase (PhyA), their expression in Pichia pastoris and catalytic characterization. Appl Microbiol Biotechnol. 2010;87:1367–72.
Liao Y, Li CM, Chen H, Wu Q, Shan Z, Han XY. Site-directed mutagenesis improves the thermostability and catalytic efficiency of aspergillus Niger N25 phytase mutated by I44E and T252R. Appl Biochem Biotechnol. 2013;171:900–15.
Tomschy A, Wyss M, Kostrewa D, Vogel K, Tessier M, Hofer S, Burgin H, Kronenberger A, Remy R, van Loon AP, Pasamontes L. Active site residue 297 of aspergillus Niger phytase critically affects the catalytic properties. FEBS Lett. 2000;472:169–72.
Oakley AJ. The structure of aspergillus Niger phytase PhyA in complex with a phytate mimetic. Biochem Biophys Res Commun. 2010;397:745–9.
Arnold K, Bordoli L, Kopp J, Schwede T. The SWISS-MODEL workspace: a web-based environment for protein structure homology modelling. Bioinformatics. 2006;22:195–201.
Jorgensen WL, Chandrasekhar J, Madura JD, Impey RW, Klein ML. Comparison of simple potential functions for simulating liquid water. J Chem Phys. 1983;79:926–35.
Pettersen EF, Goddard TD, Huang CC, Couch GS, Greenblatt DM, Meng EC, Ferrin TE. UCSF chimera - a visualization system for exploratory research and analysis. J Comput Chem. 2004;25:1605–12.
Hess B, Kutzner C, van der Spoel D, Lindahl E. GROMACS 4: algorithms for highly efficient, load-balanced, and scalable molecular simulation. J Chem Theory Comput. 2008;4:435–47.
Hornak V, Abel R, Okur A, Strockbine B, Roitberg A, Simmerling C. Comparison of multiple amber force fields and development of improved protein backbone parameters. Proteins. 2006;65:712–25.
Hess B, Bekker H, Berendsen HJC, Fraaije JGEM. LINCS: a linear constraint solver for molecular simulations. J Comput Chem. 1997;18:1463–72.
Darden T, York D, Pedersen L. Particle mesh Ewald - an n.Log (N) method for Ewald sums in large systems. J Chem Phys. 1993;98:10089–92.