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Engineering highly functional thermostable proteins using ancestral sequence reconstruction

现存分类群 蛋白质工程 计算生物学 序列(生物学) 大肠杆菌 生物化学 热稳定性 生物 进化生物学 基因
作者
Yosephin Gumulya,Jong‐Min Baek,Shun Jie Wun,Raine E. S. Thomson,Kurt L. Harris,Dominic J. B. Hunter,James B. Y. H. Behrendorff,Justyna Kulig,Shan Zheng,Xueming Wu,Bin Wu,Jeanette E. Stok,James J. De Voss,Gerhard Schenk,Ulrik Jurva,Shalini Andersson,Emre M. Isin,Mikael Bodén,Luke W. Guddat,Elizabeth M. J. Gillam
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:1 (11): 878-888 被引量:130
标识
DOI:10.1038/s41929-018-0159-5
摘要

Commercial biocatalysis requires robust enzymes that can withstand elevated temperatures and long incubations. Ancestral reconstruction has shown that pre-Cambrian enzymes were often much more thermostable than extant forms. Here, we resurrect ancestral enzymes that withstand ~30 °C higher temperatures and ≥100 times longer incubations than their extant forms. This is demonstrated on animal cytochromes P450 that stereo- and regioselectively functionalize unactivated C–H bonds for the synthesis of valuable chemicals, and bacterial ketol-acid reductoisomerases that are used to make butanol-based biofuels. The vertebrate CYP3 P450 ancestor showed a 60T50 of 66 °C and enhanced solvent tolerance compared with the human drug-metabolizing CYP3A4, yet comparable activity towards a similarly broad range of substrates. The ancestral ketol-acid reductoisomerase showed an eight-fold higher specific activity than the cognate Escherichia coli form at 25 °C, which increased 3.5-fold at 50 °C. Thus, thermostable proteins can be devised using sequence data alone from even recent ancestors. Improving the stability of proteins for biotechnological applications is challenging. Now, Gillam and co-workers show that the thermal stability and longevity of enzymes can be remarkably enhanced in a single step from sequences of recent ancestors of primitive vertebrates that existed in mild conditions.
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