Structure-based enzyme engineering improves donor-substrate recognition of Arabidopsis thaliana glycosyltransferases

拟南芥 糖基化 糖基转移酶 拟南芥 化学 底物特异性 合理设计 生物化学 计算生物学 生物 基质(水族馆) 突变体 立体化学 基因 遗传学 生态学
作者
Aishat M. Akere,Serena H. Chen,Xiaohan Liu,Yang‐Er Chen,Sarath Chandra Dantu,Alessandro Pandini,Debsindhu Bhowmik,Shozeb Haider
出处
期刊:Biochemical Journal [Portland Press]
卷期号:477 (15): 2791-2805 被引量:48
标识
DOI:10.1042/bcj20200477
摘要

Glycosylation of secondary metabolites involves plant UDP-dependent glycosyltransferases (UGTs). UGTs have shown promise as catalysts in the synthesis of glycosides for medical treatment. However, limited understanding at the molecular level due to insufficient biochemical and structural information has hindered potential applications of most of these UGTs. In the absence of experimental crystal structures, we employed advanced molecular modeling and simulations in conjunction with biochemical characterization to design a workflow to study five Group H Arabidopsis thaliana (76E1, 76E2, 76E4, 76E5, 76D1) UGTs. Based on our rational structural manipulation and analysis, we identified key amino acids (P129 in 76D1; D374 in 76E2; K275 in 76E4), which when mutated improved donor substrate recognition than wildtype UGTs. Molecular dynamics simulations and deep learning analysis identified structural differences, which drive substrate preferences. The design of these UGTs with broader substrate specificity may play important role in biotechnological and industrial applications. These findings can also serve as basis to study other plant UGTs and thereby advancing UGT enzyme engineering.
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