Improving the Thermostability and Catalytic Activity of RgDAAO by a Combinatorial Strategy Using Sequence Consensus Design and SpyTag/SpyCatcher Self-Cyclization

热稳定性 催化作用 序列(生物学) 蛋白质工程 化学 组合化学 定向进化 折叠(DSP实现) 融合 蛋白质折叠 突变体 合理设计 分子动力学 共识序列 蛋白质设计 组合分析 立体化学 蛋白质结构 组合方法 肽 连接器 结构-活动关系 融合蛋白 计算生物学 生物化学 肽序列 分子模型 动力学 活动站点 酶
作者
Mengyu Li,Wei Zhuang,Jihang Zhang,Keke Zhang,Jingliang Xu,Zhenfu Wang
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:73 (38): 24211-24221 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.5c03902
摘要

d-Amino acid oxidase from Rhodotorula gracilis (RgDAAO) is valuable for pharmaceutical and chemical synthesis due to its high enantioselectivity, but its poor thermostability limits extensive application. This study proposed a synergistic strategy of "sequence consensus design coupled with structure modification" to enhance RgDAAO thermostability. Through homologous sequence analysis and greedy algorithm-based optimization, a triple mutant M3 (S18T/V7I/Y132F) was obtained, showing a 3.7-fold extension in half-life at 50 and a 5.13 °C increase in melting temperature (Tm) versus wild-type (WT). Furthermore, N/C-terminal autocyclized variants (TDC-WT, CDT-WT, etc.) were constructed using the SpyTag/SpyCatcher system, demonstrating 2-3-fold higher half-life at 50 °C than WT. The combinatorial strategy integrated M3 with cyclization technology, yielding a synergistically significant combinatorial enzyme, LCDT-M3, which exhibited a 12.8-fold longer half-life, a 9.42 °C increase in Tm, and a 2.2-fold greater specific activity compared to WT at 50 °C. Molecular dynamics simulations and structural analyses revealed that M3 was stabilized by optimizing the enhanced local hydrogen-bond networks and reduced global conformational fluctuations. The cyclized RgDAAO exhibited reduced conformational freedom, promoting correct folding governed by fusion order and flexible linkers. In summary, this work provides an effective strategy for the modification of the thermostability of enzymes required in industry.
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