Improvement of Activity, Stability, and Soluble Expression of Nitrilase through Stepwise Sequence Optimization for Highly Efficient Synthesis of Nicotinic Acid

硝化酶 化学 突变体 生物化学 烟碱激动剂 生物催化 突变 合理设计 蛋白质工程 立体化学 序列(生物学) 基质(水族馆) 对接(动物) 肽序列 水解 突变 稳健性(进化) 组合化学 氨基酸 定向进化 定点突变 立体选择性 铅化合物 产物抑制 结合位点
作者
Laichuang Han,Ziyi Li,Jun Qiao,Zhongyi Cheng,Łukasz Pepłowski,Qiong Wang,Jie Luo,Zhemin Zhou
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:74 (1): 1299-1311 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.5c14133
摘要

Nitrilases are important industrial enzymes that catalyze the conversion of nitrile compounds into carboxylic acids. This study employed a stepwise sequence optimization strategy to enhance nitrilase performance, combining PROSS for combinatorial mutation design with SPIRED-Fitness for fitness-guided optimization. Beneficial distal mutations were identified and iteratively combined. Ultimately, optimal mutant PD1F4 showed over 2-fold increase in specific activity compared to the starting variant C57E10, and its half-life at 50 °C improved from 10.53 ± 1.13 to 123.40 ± 5.94 min. Owing to improved soluble expression and product tolerance, PD1F4-expressing cells catalyzed the production of 272 g/L nicotinic acid. Molecular dynamics simulations revealed that the distal mutations stabilized the oligomeric assembly of nitrilase, confined substrate binding to the near attack conformations, and reduced detrimental interactions between residues with nicotinic acid. This work demonstrates an effective strategy for enhancing enzyme robustness and provides an efficient biocatalyst for nicotinic acid synthesis.
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