生物技术通报 ›› 2020, Vol. 36 ›› Issue (11): 173-180.doi: 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2020-0123
收稿日期:
2020-02-11
出版日期:
2020-11-26
发布日期:
2020-11-20
作者简介:
蔡玉贞,女,硕士,研究方向:酶工程;E-mail: 基金资助:
CAI Yu-zhen(), BAI Qiao-yan, SU Min, TANG Liang-hua()
Received:
2020-02-11
Published:
2020-11-26
Online:
2020-11-20
摘要:
脂肪酶作为重要的酶制剂之一,因其对映选择性、立体选择性和广泛的底物特异性等特性被广泛地运用在工业生产中。为了提高脂肪酶的酶学特性和理化性质、迎合更高的工业需求,除了从酶反应的条件上进行优化,还可对脂肪酶进行分子改造,从根源上提高酶的催化效率。一般常采用半理性设计或理性设计的策略,在底物结合口袋或“盖子”结构附近进行酶分子的改造,以达到改变脂肪酶的底物特异性、立体选择性、对映选择性和区域选择性等目的。对近几十年来关于脂肪酶底物结合口袋的分子改造研究进行了综述,以期为今后的相关研究工作提供研究思路。
蔡玉贞, 白巧燕, 苏敏, 唐良华. 脂肪酶底物结合口袋的分子改造策略及进展[J]. 生物技术通报, 2020, 36(11): 173-180.
CAI Yu-zhen, BAI Qiao-yan, SU Min, TANG Liang-hua. Strategies and Advances in the Molecular Modification of Substrate Binding Pocket of Lipase[J]. Biotechnology Bulletin, 2020, 36(11): 173-180.
改造策略 | 脂肪酶 | 酶性质的改变 | 突变位点 | 突变结果 | 参考文献 | |
---|---|---|---|---|---|---|
理性设计 | 改变氨基酸 侧链大小 | Malassezia globosalipase(MgMDL2) | 位置选 择性 | F278 E282 | F278A和E282A获得水解三酰甘油的能力 | [3] |
Candida Antarcticalipase A(CALA) | 底物链 长偏好 | G237 | G237V 和G237Y对pNP-C4:0和pNP-C6:0水解活性显著提高,其中G237Y对pNP-C6:0的水解活性高WT的3倍 | [5] | ||
Lipase from Streptomyces sp. strain W007(MAS1) | 底物链 长偏好 | H108 F153 V233 | H108A、F153A和V233A对pNP-C8的kcat/Km分别是WT的2.3、2.1、1.4倍;对pNP-C16的比活分别比WT提高了3.0、2.2、2.0倍 | [6] | ||
Candida antarcticalipase B(CALB) | 立体选 择性 | W104 | 对heptan-4-ol和 nonan-5-ol的kcat/Km分别提高了270倍和5 500倍 | [8] | ||
改变底物结合 口袋的亲、 疏水性 | Rhizopus chinensislipase(RCL) | 底物链长、不饱和脂肪酸偏好 | H284 L285 | 突变体HQL(H284 和L285之间插入Q)和L285Q对p-NPP(C16)的催化活性分别为WT的2.72倍和1.5倍;HQL水解不饱和脂肪酸的活性是饱和脂肪酸1.45倍,而WT只有1.10倍 | [7] | |
Geobacillus zalihaelipase(T1 lipase) | 对映选 择性 | Q114 | Q114M催化(R,S)-布洛芬与油酸醇的选择性酯化反应中E值为WT的3.2倍 | [9] | ||
Geobacillus zalihae lipase(T1 lipase) | 催化活性 | Q114 | Q114L催化的丁酸薄荷酯的酯化反应的转化率能够达到92% | [10] | ||
增加π环体系的非经典相互作用 | Rhizomucor mieheilipase(RML) | 催化活性 | P209 L258 | 对硝基苯酯(C6)的比活提高了3.98倍 | [14] | |
半理性设计 | 定点饱和诱变 | Candida rugosalipase(LIP2) | 底物链 长偏好 | L132 | L132A和L132I的底物特异性表现出向中长链的脂肪酸转移 | [15] |
组合活性中心饱和突变(CAST)/简并密码子NDT | Candida Antarcticalipase A(CALA) | 对映选 择性 | F233 | 以2-苯基丙酸对硝基苯基酯为底物的催化反应中,F233G的E值高达259 | [16] | |
迭代饱和突变(ISM) | Bacillus subtilislipase(Lip A) | 热稳定性 | R33/D34/K35 K112/ M134 Y139/I157 | 以4-硝基苯基辛酸酯底物测得两个最佳突变体(M134D/I157M/Y139C/K112D/R33Q/D34N/K35D)和(M134D/I157M/Y139C/K112D /R33G)的T5060分别为89℃和93℃,远高于WT(T5060为48℃) | [17] | |
ISM/简并密码子NDT | Candida antarcticalipase B(CALB) | 立体选 择性 | W104/L144 V149/V154 I189/V190 A281/A282 | (V149D/I189V/V190C/A281G/A282V)对2-苯基丙酸对硝基苯酯的kcat / Km为WT的近277倍,突变体(W104C/L144Y/V149I/V154I/A281C/A282F)对R-2-苯基丙酸对硝基苯酯的活性比WT高15倍 | [18] | |
理性聚焦迭代定点诱变(FRISM) | Candida antarcticalipase B(CALB) | 对映选 择性 | W104/ D134 Q157/I189 V190/ A281 A282 | 突变体(A281G/A282V/V190C)、(Q157L/I189A)、 (W104/I189)、(W104A/I189M/V190C/D134L)对各自的最佳对映体的选择性分别高达95%、94%、95%和91% | [19] |
表1 脂肪酶底物结合口袋改造策略及成果
改造策略 | 脂肪酶 | 酶性质的改变 | 突变位点 | 突变结果 | 参考文献 | |
---|---|---|---|---|---|---|
理性设计 | 改变氨基酸 侧链大小 | Malassezia globosalipase(MgMDL2) | 位置选 择性 | F278 E282 | F278A和E282A获得水解三酰甘油的能力 | [3] |
Candida Antarcticalipase A(CALA) | 底物链 长偏好 | G237 | G237V 和G237Y对pNP-C4:0和pNP-C6:0水解活性显著提高,其中G237Y对pNP-C6:0的水解活性高WT的3倍 | [5] | ||
Lipase from Streptomyces sp. strain W007(MAS1) | 底物链 长偏好 | H108 F153 V233 | H108A、F153A和V233A对pNP-C8的kcat/Km分别是WT的2.3、2.1、1.4倍;对pNP-C16的比活分别比WT提高了3.0、2.2、2.0倍 | [6] | ||
Candida antarcticalipase B(CALB) | 立体选 择性 | W104 | 对heptan-4-ol和 nonan-5-ol的kcat/Km分别提高了270倍和5 500倍 | [8] | ||
改变底物结合 口袋的亲、 疏水性 | Rhizopus chinensislipase(RCL) | 底物链长、不饱和脂肪酸偏好 | H284 L285 | 突变体HQL(H284 和L285之间插入Q)和L285Q对p-NPP(C16)的催化活性分别为WT的2.72倍和1.5倍;HQL水解不饱和脂肪酸的活性是饱和脂肪酸1.45倍,而WT只有1.10倍 | [7] | |
Geobacillus zalihaelipase(T1 lipase) | 对映选 择性 | Q114 | Q114M催化(R,S)-布洛芬与油酸醇的选择性酯化反应中E值为WT的3.2倍 | [9] | ||
Geobacillus zalihae lipase(T1 lipase) | 催化活性 | Q114 | Q114L催化的丁酸薄荷酯的酯化反应的转化率能够达到92% | [10] | ||
增加π环体系的非经典相互作用 | Rhizomucor mieheilipase(RML) | 催化活性 | P209 L258 | 对硝基苯酯(C6)的比活提高了3.98倍 | [14] | |
半理性设计 | 定点饱和诱变 | Candida rugosalipase(LIP2) | 底物链 长偏好 | L132 | L132A和L132I的底物特异性表现出向中长链的脂肪酸转移 | [15] |
组合活性中心饱和突变(CAST)/简并密码子NDT | Candida Antarcticalipase A(CALA) | 对映选 择性 | F233 | 以2-苯基丙酸对硝基苯基酯为底物的催化反应中,F233G的E值高达259 | [16] | |
迭代饱和突变(ISM) | Bacillus subtilislipase(Lip A) | 热稳定性 | R33/D34/K35 K112/ M134 Y139/I157 | 以4-硝基苯基辛酸酯底物测得两个最佳突变体(M134D/I157M/Y139C/K112D/R33Q/D34N/K35D)和(M134D/I157M/Y139C/K112D /R33G)的T5060分别为89℃和93℃,远高于WT(T5060为48℃) | [17] | |
ISM/简并密码子NDT | Candida antarcticalipase B(CALB) | 立体选 择性 | W104/L144 V149/V154 I189/V190 A281/A282 | (V149D/I189V/V190C/A281G/A282V)对2-苯基丙酸对硝基苯酯的kcat / Km为WT的近277倍,突变体(W104C/L144Y/V149I/V154I/A281C/A282F)对R-2-苯基丙酸对硝基苯酯的活性比WT高15倍 | [18] | |
理性聚焦迭代定点诱变(FRISM) | Candida antarcticalipase B(CALB) | 对映选 择性 | W104/ D134 Q157/I189 V190/ A281 A282 | 突变体(A281G/A282V/V190C)、(Q157L/I189A)、 (W104/I189)、(W104A/I189M/V190C/D134L)对各自的最佳对映体的选择性分别高达95%、94%、95%和91% | [19] |
[1] |
Jürgen P, Fischer M, Schmid RD. Anatomy of lipase binding sites:the scissile fatty acid binding site[J]. Chemistry and Physics of Lipids, 1998,93(1-2):67-80.
doi: 10.1016/s0009-3084(98)00030-9 URL pmid: 9720251 |
[2] |
Turkenburg JP, Christiansen L, Huge-Jensen B, et al. A serine protease triad forms the catalytic centre of a triacylglycerol lipase[J]. Nature, 1990,343(6260):767-770.
doi: 10.1038/343767a0 URL pmid: 2304552 |
[3] |
Lan D, Xu H, Xu JX, et al. Malassezia globosa MgMDL2 lipase:Crystal structure and rational modification of substrate specificity[J]. Biochemical and Biophysical Research Communications, 2017,488(2):259-265.
doi: 10.1016/j.bbrc.2017.04.103 URL pmid: 28433636 |
[4] |
Zhou P, Lan D, Popowicz, GM, et al. Enhancing H2O2 resistance of an esterase from Pyrobaculum calidifontis by structure-guided engineering of the substrate binding site[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2017,101:5689.
doi: 10.1007/s00253-017-8299-0 URL pmid: 28516207 |
[5] |
Brundiek H, Padhi SK, Kourist R, et al. Altering the scissile fatty acid binding site of Candida antarctica lipase A by protein engineering for the selective hydrolysis of medium chain fatty acids[J]. European Journal of Lipid Science and Technology, 2012,114(10):1148-1153.
doi: 10.1002/ejlt.v114.10 URL |
[6] |
Zhao G, Wang J, Tang Q, et al. Improving the catalytic activity and thermostability of MAS1 lipase by alanine substitution[J]. Molecular Biotechnology, 2018,60(4):319-328.
doi: 10.1007/s12033-018-0062-y URL pmid: 29450814 |
[7] | 江传欢, 徐岩, 喻晓蔚. 理性设计提高华根霉脂肪酶对不饱和长链脂肪酸的底物特异性及其在大豆油水解中的应用[J]. 中国油脂, 2018,43(10):128-135. |
Jiang C, Xu Y, Yu X. Enhancement of substrate specificity towards unsaturated long-chain fatty acids of Rhizopus chinensis lipase through rational design for efficient hydrolysis of soybean oil[J]. China Oils and Fats, 2018,43(10):128-135. | |
[8] |
Magnusson AO, Rotticci-Mulder JC, Santagostino A, et al. Creating space for large secondary alcohols by rational redesign of Candida antarctica lipase B[J]. ChemBioChem, 2005,6(6):1051-1056.
doi: 10.1002/cbic.200400410 URL pmid: 15883973 |
[9] |
Wahab RA, Basri M, Rahman RNZRA, et al. Facile modulation of enantioselectivity of thermophilic Geobacillus zalihae lipase by regulating hydrophobicity of its Q114 oxyanion[J]. Enzyme and Microbial Technology, 2016, 93-94:174-181.
doi: 10.1016/j.enzmictec.2016.08.020 URL pmid: 27702478 |
[10] | Wahab RA, Basri M, Rahman RNZRA, et al. Development of a catalytically stable and efficient lipase through an increase in hydrophobicity of the oxyanion residue[J]. Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic, 2015,122:282-288. |
[11] | 王勤. α/β类蛋白典型折叠中π-π相互作用的研究[D]. 北京:北京工业大学, 2015. |
Wang Q. The study of interactions in classical fold type of protein[D]. Beijing:Beijing University of Technology, 2015. | |
[12] | Kannan N, Vishveshwara S. Aromatic clusters:a determinant of thermal stability of thermophilic proteins[J]. Protein Engineering Design and Selection, 2000,13(11):753-761. |
[13] |
Burley S, Petsko G. Aromatic-aromatic interaction:a mechanism of protein structure stabilization[J]. Science, 1985,229(4708):23-28.
doi: 10.1126/science.3892686 URL pmid: 3892686 |
[14] |
Ding X, Tang XL, Zheng RC, et al. Identification and engineering of the key residues at the crevice-like binding site of lipases responsible for activity and substrate specificity[J]. Biotechnology Letters, 2018,41:137.
doi: 10.1007/s10529-018-2620-6 URL pmid: 30392017 |
[15] |
Yen CC, Malmis CC, Lee GC, et al. Site-specific saturation mutagenesis on residues 132 and 450 of Candida rugosa LIP2 enhances catalytic efficiency and alters substrate specificity in various chain lengths of triglycerides and esters[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2010,58(20):10899-10905.
doi: 10.1021/jf1004034 URL pmid: 20873770 |
[16] |
Engström K, Nyhlen J, Sandström AG, et al. Directed evolution of an enantioselective lipase with broad substrate scope for hydrolysis of α-substituted esters[J]. Journal of the American Chemical Society, 2010,132(20):7038-7042.
doi: 10.1021/ja100593j URL pmid: 20450151 |
[17] |
Reetz MT, Carballeira, JD. Iterative saturation mutagenesis(ISM)for rapid directed evolution of functional enzymes[J]. Nature Protocols, 2007,2(4):891-903.
doi: 10.1038/nprot.2007.72 URL pmid: 17446890 |
[18] |
Wu Q, Soni P, Reetz MT. Laboratory evolution of enantiocomplementary Candida antarctica lipase B mutants with broad substrate scope[J]. Journal of the American Chemical Society, 2013,135(5):1872-1881.
doi: 10.1021/ja310455t URL pmid: 23301759 |
[19] |
Xu J, Cen Y, Singh W, et al. Stereodivergent protein engineering of a lipase to access all possible stereoisomers of chiral esters with two stereocenters[J]. Journal of the American Chemical Society, 2019,141(19):7934-7945.
doi: 10.1021/jacs.9b02709 URL pmid: 31023008 |
[20] |
Li R, Wijma HJ, Song L, et al. Computational redesign of enzymes for regio- and enantioselective hydroamination[J]. Nature Chemical Biology, 2018,14:664-670.
doi: 10.1038/s41589-018-0053-0 URL pmid: 29785057 |
[21] | Siegel JB, Smith AL, Poust S, et al. Computational protein design enables a novel one-carbon assimilation pathway[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015,112(12):3704-3709. |
[22] | Li G, Dong Y, Reetz MT. Can machine learning revolutionize directed evolution of selective enzymes?[J]. Adv Synth Catal, 2019,361(11):2377-2386. |
[1] | 陈金行, 张逸, 张军涛, 未本美, 王宏勋, 郑明明. 固定化脂肪酶的创制及其在乙酸肉桂酯无溶剂制备中的应用[J]. 生物技术通报, 2023, 39(9): 97-104. |
[2] | 曲戈, 孙周通. 催化混杂性驱动的酶功能重塑[J]. 生物技术通报, 2023, 39(4): 1-9. |
[3] | 张泽颖, 范清锋, 邓云峰, 韦廷舟, 周正富, 周建, 王劲, 江世杰. 一株高产脂肪酶菌株WCO-9全基因组测序及比较基因组分析[J]. 生物技术通报, 2022, 38(10): 216-225. |
[4] | 吴蓉, 曹佳睿, 曹君, 刘飞翔, 杨猛, 苏二正. 南极假丝酵母脂肪酶B基因在大肠杆菌中的表达和发酵优化[J]. 生物技术通报, 2021, 37(2): 138-148. |
[5] | 黄阳天, 陆育彪, 黄益帖, 孟繁龙, 徐凯文, 李鹏. 产电海洋脂肪酶生产菌的分离筛选鉴定及培养条件研究[J]. 生物技术通报, 2020, 36(12): 91-97. |
[6] | 朱彩林, 吕祥, 夏小乐. 盖子区域氨基酸的定点突变对T1脂肪酶酶学性质的影响[J]. 生物技术通报, 2020, 36(11): 94-102. |
[7] | 石利霞, 高松枫, 朱蕾蕾. PET水解酶的研究进展[J]. 生物技术通报, 2020, 36(10): 226-236. |
[8] | 张玮玮, 杨慧霞, 薛屏. 纳米载体固定化脂肪酶及其在生物柴油转化中的应用进展[J]. 生物技术通报, 2020, 36(1): 160-166. |
[9] | 刘金辉, 李晓路, 姜岩, 王海宽. 施氏假单胞菌PS59产脂肪酶发酵条件及脂肪酶洗涤性能优化[J]. 生物技术通报, 2016, 32(7): 186-193. |
[10] | 魏雪, 孙丽超, 李淑英, 王凤忠, 辛凤姣. 脂肪酶的固定化及其在食品领域的应用[J]. 生物技术通报, 2016, 32(11): 59-64. |
[11] | 张瑶, 路国兵, 周波, 王冰, 牟志美. 洋葱伯克霍尔德氏菌Lu10-1产脂肪酶发酵条件优化及酶学性质研究[J]. 生物技术通报, 2015, 31(9): 190-196. |
[12] | 张谦, 王剑英, 林智, 贾佳, 郭宏涛. 华根霉脂肪酶在黑曲霉中的重组表达研究[J]. 生物技术通报, 2015, 31(3): 165-170. |
[13] | 张谦,贾佳,林智,杨晓锋,郭宏涛,王剑英,Carol Sze Ki Lin. 产脂肪酶黑曲霉摇瓶发酵条件优化研究[J]. 生物技术通报, 2015, 31(12): 227-233. |
[14] | 赵军,赵淑琴,杨孝朴,刘晓丽. 产脂肪酶嗜酸性真菌的筛选、鉴定与产酶条件优化[J]. 生物技术通报, 2015, 31(10): 171-176. |
[15] | 李杨,蔡海莺,赵敏洁,张辉,冯凤琴. 高产耐高温脂肪酶生产菌的筛选与鉴定[J]. 生物技术通报, 2015, 31(1): 144-150. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||