Semirational Engineering of Chitinase Chi1 to Enhance the Catalytic Activity for Efficient Chitin Degradation

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作者
Haoyu Lu,Qian Xu,Zixun Yang,Xi Zhou,Ning Zhou,Feifei Chen,Alei Zhang,Kequan Chen
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:74 (18): 14447-14459
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.6c01356
摘要

Efficient enzymatic depolymerization of chitin is often limited by the high crystallinity and low accessibility of the native substrates. Here, a semirational protein design was applied to improve the catalytic efficiency of the GH18 Chitinase Chi1 from Chitinibacter sp. GC72 by targeting residues in the substrate-binding channel. Four residues (Lys440, Trp467, Tyr499, and Arg527) were identified as potential functional hotspots and subjected to alanine scanning and site-saturation mutagenesis. Among the resulting variants, mutant Y499C exhibited significantly enhanced catalytic performance, showing 42% and 83% higher specific activities toward colloidal chitin and crystalline chitin, respectively, compared to the wild type. Kinetic analysis revealed that the V max and catalytic efficiency ( k cat / K m ) of Y499C increased to 1.57-fold and 2.29-fold relative to the wild-type enzyme. In addition, Y499C achieved higher conversion than that of the wild type, reaching 29.5% for crystalline chitin and 20.45% for colloidal chitin. Molecular simulations indicated that the Y499C substitution reshaped the substrate-binding channel, stabilizing the enzyme–substrate complex and potentially improving the substrate accessibility within the catalytic cleft. These findings demonstrate that substrate-channel hotspot engineering is an effective strategy for enhancing GH18 chitinases and provide insights for developing efficient biocatalysts for chitin valorization.
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