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Structure‐guided engineering of protein stability through core hydrophobicity

蛋白质工程 热稳定性 热稳定性 化学 疏水效应 蛋白质设计 蛋白质稳定性 氢键 蛋白质结构 晶格蛋白 蛋白质折叠 核磁共振波谱 溶解度 组合化学 生物分子 蛋白质-蛋白质相互作用 氨基酸 材料科学 生物物理学 辅因子 化学稳定性 侧链 氨基酸残基 静电 理论(学习稳定性) 热的 芯(光纤) 静电学 熔化温度 化学工程 化学物理 分子动力学
作者
Aravind Ravichandran,Anindita Puri,Suhas H. Bhate,Batul Ismail Habibullah,Gajendra Singh,Ranabir Das
出处
期刊:Protein Science [Wiley]
卷期号:34 (12): e70360-e70360
标识
DOI:10.1002/pro.70360
摘要

Abstract Engineering thermostable proteins is advantageous for industrial and biomedical applications, where improved thermal stability can enhance conformational integrity, prolong functional half‐life, and increase catalytic efficiency at elevated temperatures. We explored modifying the length of buried hydrocarbon chains to improve protein thermal stability. By optimizing the hydrophobic core through targeted amino acid substitutions, we aimed to minimize internal voids and improve core packing. To achieve this, we developed an algorithm that replaces buried hydrophobic residues with longer or bulkier hydrophobic side chains. The algorithm calculates the free energy of unfolding (Δ G ) for each substitution, selecting only significantly stabilizing configurations. Functionally important residues and contact networks were excluded from mutation to preserve protein function. We applied the method to several proteins from the beta‐grasp fold family. For experimental validation, we chose NEDD8, a beta‐grasp protein with poor solubility and low thermal stability. Two subtle substitutions predicted by our algorithm increased NEDD8's thermal stability by 1.7 kcal/mol and raised its melting point by 17°C. MD simulations and NMR spectroscopy revealed reduced conformational fluctuations and increased stabilizing interactions, such as hydrogen bonding and electrostatic contacts. Functional assays confirmed that the substitutions did not perturb NEDD8's global fold or interactions with cofactors and enzymes. These results highlight the effectiveness of tuning buried hydrophobic residues to enhance protein stability without compromising function. This strategy could serve as a general framework for designing robust therapeutic proteins and enzymes for industrial or biomedical applications.
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