Characterization and Substrate Specificity of a Recombinant Acetyl Xylan Esterase from Halalkalibacterium halodurans through a Dual-Strategy Rational Design

合理设计 化学 酯酶 热稳定性 水解 基质(水族馆) 生物催化 生物化学 突变体 对接(动物) 木聚糖 重组DNA 立体化学 底物特异性 水解酶 酶分析 蛋白质工程 催化作用 酶动力学 糖苷水解酶 分子模型 活动站点 比活度 有机化学 酶激活剂 生物有机化学 组合化学 动力学 定向进化 产量(工程) 蛋白质设计 纤维素酶
作者
Mei Zhao,Honglong Cheng,Xiaohao Zhang,Zhen Wang,Jie Shang,Yiwei Zhang,Haoyang Li,Xianghui Qi
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:74 (4): 3767-3780
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.5c11105
摘要

Acetylxylan esterases (AXEs) hydrolyze acetyl groups in xylan but are limited by their narrow substrate specificity. To improve their industrial applications, we engineered a CE7 family HhAXE from Halobacillus halodurans. The purified enzyme exhibited optimal activity at pH 8.5 and 40 °C toward ρ-nitrophenyl acetate (ρNPA), with stability across pH 8.0-9.0 and 30-45 °C. Fe3+ and Mn2+ (10 mM) enhanced activity by 184.94 and 195.13%, respectively, and 20% DMSO increased activity by 105.56%. Using dual computational strategies─PROSS-based thermostabilization and machine learning-guided optimization─we generated mutant L260R, which showed a 136.16% increase in ρNPA activity and improved affinity for longer-chain substrates (ρNPB, ρNPO). The mutant also achieved 140.99, 132.68, and 127.98% higher deacetylations of beechwood, arabinoxylan, and corncob, respectively. Molecular docking and dynamics simulations revealed structural changes that enhanced the substrate-binding and catalytic efficiency. The engineered HhAXE-L260R shows potential as a biocatalyst for lignocellulose valorization and offers a computational approach to AXE optimization.
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