Simultaneous Engineering of the Thermostability and Activity of a Novel Aldehyde Dehydrogenase

热稳定性 化学 催化作用 蛋白质工程 醛脱氢酶 定向进化 组合化学 生物化学 生化工程 工程类 基因 突变体
作者
Kangjie Xu,Qiming Chen,Haiyan Fu,Qihang Chen,Jiahao Gu,Xinglong Wang,Jingwen Zhou
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:: 1841-1853
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c06840
摘要

Acetaldehyde is a toxic pollutant that can be detoxified by acetaldehyde dehydrogenases (ADAs) through its conversion to acetyl-CoA. This study developed an integrated approach combining virtual screening, rational design, and a dual scoring mechanism to identify and engineer hyperactive ADA variants. A library of 5000 Dickeya parazeae ADA (DpADA) homologues was created through protein BLAST, and deep learning tools predicted their Kcat values. The top 100 candidates were selected based on acetaldehyde binding affinity, evaluated through molecular docking and phylogenetic analysis. Among these, ADA6 from Buttiauxella sp. S04-F03 exhibited the highest activity, converting 57.6% of acetaldehyde to acetyl-CoA, which was 14.1 times higher than DpADA. To improve ADA6's thermostability, folding engineering was applied, resulting in the P443C variant with an 80.7% increase in residual activity after heat treatment. Molecular dynamics simulation pinpointed I440 as a bottleneck in the substrate tunnel, guiding the design of a dual-scoring system that integrates structural adjustments and electronic optimization to evaluate mutations for improved substrate exposure and activity. The final optimized variant, P443C-I440T, achieved a conversion efficiency of 93.2%. This study demonstrates the effectiveness of combining computational tools and rational mutagenesis to enhance enzyme activity and stability in enzyme engineering.
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