Engineering the catalytic activity of an Antarctic PET‐degrading enzyme by loop exchange

蛋白质工程 角质酶 定向进化 活动站点 合理设计 化学 蛋白质设计 热稳定性 嗜热菌 水解 蛋白质折叠 生物化学 生物物理学 蛋白质结构 突变体 生物 遗传学 基因
作者
Paula Blázquez‐Sánchez,Jhon A. Vargas,Adriano A. Furtado,Aransa Griñén,Diego A. Leonardo,Susana Andréa Sculaccio,H.M. Pereira,Christian Sonnendecker,Wolfgang Zimmermann,Beatriz Dı́ez,Richard Charles Garratt,César A. Ramírez‐Sarmiento
出处
期刊:Protein Science [Wiley]
卷期号:32 (9) 被引量:5
标识
DOI:10.1002/pro.4757
摘要

Several hydrolases have been described to degrade polyethylene terephthalate (PET) at moderate temperatures ranging from 25°C to 40°C. These mesophilic PET hydrolases (PETases) are less efficient in degrading this plastic polymer than their thermophilic homologs and have, therefore, been the subject of many protein engineering campaigns. However, enhancing their enzymatic activity through rational design or directed evolution poses a formidable challenge due to the need for exploring a large number of mutations. Additionally, evaluating the improvements in both activity and stability requires screening numerous variants, either individually or using high-throughput screening methods. Here, we utilize instead the design of chimeras as a protein engineering strategy to increase the activity and stability of Mors1, an Antarctic PETase active at 25°C. First, we obtained the crystal structure of Mors1 at 1.6 Å resolution, which we used as a scaffold for structure- and sequence-based chimeric design. Then, we designed a Mors1 chimera via loop exchange of a highly divergent active site loop from the thermophilic leaf-branch compost cutinase (LCC) into the equivalent region in Mors1. After restitution of an active site disulfide bond into this chimera, the enzyme exhibited a shift in optimal temperature for activity to 45°C and an increase in fivefold in PET hydrolysis when compared with wild-type Mors1 at 25°C. Our results serve as a proof of concept of the utility of chimeric design to further improve the activity and stability of PETases active at moderate temperatures.
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