Multifaceted Engineering of Xylanase Guided by Structural Insights to Enhance Thermal Stability and Catalytic Functionality

木聚糖酶 热稳定性 催化作用 生化工程 化学 生物技术 生物化学 生物 工程类 有机化学
作者
Jiayin Wang,Hossain M. Zabed,Xiantai Lai,Guoyan Zhang,Xianghui Qi
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:73 (22): 13756-13766 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.5c03486
摘要

β-1,4-Xylanase is crucial for lignocellulosic biomass bioprocessing by degrading xylan, the major hemicellulose component. However, industrial applications are hindered by its inherent thermostability limitations. To overcome this challenge, we developed a comprehensive C–S–E strategy combining computational design, structural analysis, and experimental verification to first identify a novel thermotolerant xylanase (XynT) from Streptomyces calidiresistans. Subsequently, through a sequential design workflow encompassing flexible region analysis, virtual saturation mutagenesis, threshold-based mutant screening, iterative combinatorial mutagenesis, and strategic disulfide bond introduction, we successfully obtained high-performance variant M12 (A7C/P210H/W277P/G304C). The engineered M12 exhibited significant improvements, showing 2.1-fold enhanced specific activity (22,341.7 U/mg) and 7.6-fold increased thermal stability (t1/2 = 215 min) at 55 °C and pH 8.0 compared to wild-type XynT. Beechwood xylan hydrolysis assessment confirmed M12’s highly catalytic efficiency and thermostability, highlighting its potential for industrial applications, particularly in pulp prebleaching processes.
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