Improving the kinetic parameters of nicotine oxidizing enzymes by homologous structure comparison and rational design

尼古丁 酶动力学 化学 合理设计 氧化酶试验 氧化剂 立体化学 生物化学 活动站点 生物 材料科学 有机化学 纳米技术 神经科学
作者
Dwight O. Deay,Steve A. Seibold,K.P. Battaile,Scott Lovell,Mark L. Richter,Peter A. Petillo
出处
期刊:Archives of Biochemistry and Biophysics [Elsevier BV]
卷期号:718: 109122-109122 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.abb.2022.109122
摘要

Demand exists for a nicotine oxidase enzyme with high catalytic efficiency for a variety of applications including the in vivo detection of nicotine, therapeutic enzymatic blockade of nicotine from the CNS, and inactivation of toxic industrial wastes generated in the manufacture of tobacco products. Nicotine oxidase enzymes identified to date suffer from low efficiency, exhibiting either a high kcat or low Km, but not both. Here we present the crystal structure of the (S)-6-hydroxy-nicotine oxidase from Shinella sp HZN7 (NctB), an enzyme that oxidizes (S)-nicotine with a high kcat (>1 s-1), that possesses remarkable structural and sequence similarity to an enzyme with a nanomolar Km for (S)-nicotine, the (S)-nicotine oxidase from Pseudomonas putidia strain S16 (NicA2). Based on a comparison of our NctB structure and the previously published crystal structure of NicA2, we successfully employed a rational design approach to increase the rate of oxidative turnover of the NicA2 enzyme by ∼25% (0.011 s-1 to 0.014 s-1), and reduce the Km of the NctB protein by approximately 34% (940 μM-622 μM). While modest, these results are a step towards engineering a nicotine oxidase with kinetic parameters that fulfill the functional requirements of biosensing, waste remediation, and therapeutic applications.
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