Engineered thermostable fungal Cel6A and Cel7A cellobiohydrolases hydrolyze cellulose efficiently at elevated temperatures

纤维二糖 热稳定性 化学 水解 生物催化 糖苷水解酶 立体化学 定向进化 纤维素酶 生物化学 突变体 反应机理 基因 催化作用
作者
Indira Wu,Frances H. Arnold
出处
期刊:Biotechnology and Bioengineering [Wiley]
卷期号:110 (7): 1874-1883 被引量:108
标识
DOI:10.1002/bit.24864
摘要

Abstract Thermostability is an important feature in industrial enzymes: it increases biocatalyst lifetime and enables reactions at higher temperatures, where faster rates and other advantages ultimately reduce the cost of biocatalysis. Here we report the thermostabilization of a chimeric fungal family 6 cellobiohydrolase (HJPlus) by directed evolution using random mutagenesis and recombination of beneficial mutations. Thermostable variant 3C6P has a half‐life of 280 min at 75°C and a T 50 of 80.1°C, a ∼15°C increase over the thermostable Cel6A from Humicola insolens (HiCel6A) and a ∼20°C increase over that from Hypocrea jecorina (HjCel6A). Most of the mutations also stabilize the less‐stable HjCel6A, the wild‐type Cel6A closest in sequence to 3C6P. During a 60‐h Avicel hydrolysis, 3C6P released 2.4 times more cellobiose equivalents at its optimum temperature ( T opt ) of 75°C than HiCel6A at its T opt of 60°C. The total cellobiose equivalents released by HiCel6A at 60°C after 60 h is equivalent to the total released by 3C6P at 75°C after ∼6 h, a 10‐fold reduction in hydrolysis time. A binary mixture of thermostable Cel6A and Cel7A hydrolyzes Avicel synergistically and released 1.8 times more cellobiose equivalents than the wild‐type mixture, both mixtures assessed at their respective T opt . Crystal structures of HJPlus and 3C6P, determined at 1.5 and 1.2 Å resolution, indicate that the stabilization comes from improved hydrophobic interactions and restricted loop conformations by introduced proline residues. Biotechnol. Bioeng. 2013; 110: 1874–1883. © 2013 Wiley Periodicals, Inc.
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