Molecular-Level Insights into Orientation-Dependent Changes in the Thermal Stability of Enzymes Covalently Immobilized on Surfaces

化学 热稳定性 分子动力学 单层 热稳定性 固定化酶 共价键 螺旋(腹足类) 自组装单层膜 糖苷水解酶 生物物理学 立体化学 有机化学 生物化学 计算化学 生态学 蜗牛 生物
作者
Tadeusz L. Ogorzalek,Shuai Wei,Yuwei Liu,Quiming Wang,Charles L. Brooks,Zhan Chen,E. Neil G. Marsh
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:31 (22): 6145-6153 被引量:44
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.5b01735
摘要

Surface-immobilized enzymes are important for a wide range of technological applications, including industrial catalysis, drug delivery, medical diagnosis, and biosensors; however, our understanding of how enzymes and proteins interact with abiological surfaces on the molecular level remains extremely limited. We have compared the structure, activity, and thermal stability of two variants of a β-galactosidase attached to a chemically well-defined maleimide-terminated self-assembled monolayer surface through a unique cysteinyl residue. In one case the enzyme is attached through an α helix and in the other case through an adjacent loop. Both enzymes exhibit similar specific activities and adopt similar orientations with respect to the surface normal, as determined by sum-frequency generation and attenuated total reflectance FT-IR spectroscopies. Surprisingly, however, the loop-tethered enzyme exhibits a thermal stability 10 °C lower than the helix-tethered enzyme and 13 °C lower than the enzyme in free solution. Using coarse-grain models, molecular dynamics simulations of the thermal unfolding of the surface-tethered enzymes were able to reproduce these differences in stability. Thus, revealing that tethering through the more flexible loop position provides more opportunity for surface residues on the protein to interact with the surface and undergo surface-induced unfolding. These observations point to the importance of the location of the attachment point in determining the performance of surface-supported biocatalysts and suggest strategies for optimizing their activity and thermal stability through molecular simulations.
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