Enhanced Thermostability and Molecular Insights for l-Asparaginase from Bacillus licheniformis via Structure- and Computation-Based Rational Design

热稳定性 合理设计 地衣芽孢杆菌 化学 热稳定性 突变体 材料科学 生物化学 有机化学 生物 纳米技术 细菌 枯草芽孢杆菌 遗传学 基因
作者
Huibing Chi,Yilian Wang,Bingjie Xia,Yawen Zhou,Zhaoxin Lu,Fengxia Lü,Zhu Ping
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:70 (45): 14499-14509 被引量:30
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.2c05712
摘要

l-Asparaginase has gained much attention for effectively treating acute lymphoblastic leukemia (ALL) and mitigating carcinogenic acrylamide in fried foods. Due to high-dose dependence for clinical treatment and low mitigation efficiency for thermal food processes caused by poor thermal stability, a method to achieve thermostable l-asparaginase has become a critical bottleneck. In this study, a rational design including free energy combined with structural and conservative analyses was applied to engineer the thermostability of l-asparaginase from Bacillus licheniformis (BlAsnase). Two enhanced thermostability mutants D172W and E207A were screened out by site-directed saturation mutagenesis. The double mutant D172W/E207A exhibited highly remarkable thermostability with a 65.8-fold longer half-life at 55 °C and 5 °C higher optimum reaction temperature and melting temperature (Tm) than those of wild-type BlAsnase. Further, secondary structure, sequence, molecular dynamics (MD), and 3D-structure analysis revealed that the excellent thermostability of the mutant D172W/E207A was on account of increased hydrophobicity and decreased flexibility, highly rigid structure, hydrophobic interactions, and favorable electrostatic potential. As the first report of rationally designing l-asparaginase with improved thermostability from B. licheniformis, this study offers a facile and efficient process to improve the thermostability of l-asparaginase for industrial applications.
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