Изучение in silico особенностей и механизмов адсорбции целлюлазы из Aspergillus niger на синтетических полимерах
Аннотация
В настоящее время целлюлозно-бумажная промышленность основана преимущественно на химическом гидролизе целлюлозы, что приводит к высокой экологической нагрузке. Остроту проблемы можно уменьшить с помощью применения иммобилизованной целлюлазы. Кроме того, целлюлазы обладают способностью превращать лигноцеллюлозный материал в ферментируемые сахара, используемые в качестве субстратов для образования биотоплива.
Предложен ряд ионообменных смол и волокон, а также производных хитозана для получения композиционных биокатализаторов на основе целлюлазы. Установлено, что синтетические ионообменные смолы АВ-17-2П, КУ-2, волокна ВИОН КН-1, ВИОН АН-1, а также карбоксиметилхитозан и сульфат хитозана могут применяться в качестве носителей для иммобилизации целлюлазы из Aspergillus niger (PDB ID: 5I77).
Данные были получены методом молекулярного докинга в программе AutoDock Vina, проанализированы с помощью LigPlot, визуализация проводилась в программе Maestro 10.3. Вычисление параметров туннелей, пор и внутренних полостей осуществлялось при помощи программы MOLE.
В результате исследования было установлено, что все исследуемые носители для иммобилизации связываются в области активного центра фермента, что может, с одной стороны, привести к его экранированию для субстрата, но, с другой стороны, может возникнуть эффект стабилизации пространственной структуры активного центра целлюлазы.
После адсорбции на большинстве изученных нами носителей молекула целлюлазы приобретает более компактную структуру, о чем свидетельствует уменьшение количества туннелей или их полное отсутствие при образовании комплекса фермента с ВИОН АН-1 и сульфатом хитозана. Исключение составляет только КУ-2, иммобилизация на котором приводит к увеличению количества и длины туннелей в структуре энзима.
Поры в молекуле целлюлазы как до, так и после иммобилизации, отсутствуют. Конфигурация и объем внутренних полостей при связывании целлюлазы с ионообменными материалами не изменяются, а при адсорбции на производных хитозана их объем уменьшается, причем после сорбции на сульфате хитозана одна из внутренних полостей исчезает.
Скачивания
Литература
Orencio-Trejo M., la Torre-Zavala D., Rodriguez-Garcia A., Avilés-Arnaut H., Gastelum-Arellanez A. Assessing the performance of bacterial cellulases: the use of Bacillus and Paenibacillus strains as enzyme sources for lignocellulose saccharification. BioEnergy Research. 2016; 9(4): 1023-1033. https://doi.org/10.1007/s12155-016-9797-0
Jørgensen H., Pinelo M. Enzyme recycling in lignocellulosic biorefineries. Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 2017; 11(1): 150-167. https://doi.org/10.1002/bbb.1724
Kubicek C.P., Kubicek E.M. Enzymatic deconstruction of plant biomass by fungal enzymes. Current opinion in chemical biology. 2016; 35: 51-57. https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2016.08.028
Silva C.O., Vaz R.P., Filho E.X. Bringing plant cell wall‐degrading enzymes into the lignocellulosic biorefinery concept. Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 2018; 12(2): 277-289. https://doi.org/10.1002/bbb.1832
Jeoh T., Cardona M.J., Karuna N., Mudinoor A.R., Nill J. Mechanistic kinetic models of enzymatic cellulose hydrolysis – a review. Biotechnology and bioengineering. 2017; 114(7): 1369-1385. https://doi.org/10.1002/bit.26277
Rahikainen J.L., Evans J.D., Mikander S., Kalliola A., Puranen T., Tamminen T., Kruus K. Cellulase–lignin interactions – the role of carbohydrate-binding module and pH in non-productive binding. Enzyme and microbial technology. 2013; 53(5): 315-321. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2013.07.003
Xia L., Cen P. Cellulase production by solid state fermentation on lignocellulosic waste from the xylose industry. Process Biochemistry. 1999: 34(9): 909-912. https://doi.org/10.1016/S0032-9592(99)00015-1
Belghith H., Chaabouni S. E., Gargouri A. Stabilization of Penicillium occitanis cellulases by spray drying in presence of maltodextrin. Enzyme and Microbial Technology. 2001; 28(2-3): 253-258. https://doi.org/10.1016/s0141-0229(00)00322-7
Galante Y.M., De Conti A., Monteverdi R. Application of Trichoderma enzymes in the textile industry. Trichoderma & Gliocladium. 1998; 2: 311-325.
Kvietok L.L., Trinh T., Hollingshead J.A. US Patent. no. 5445747, 1995.
Galante Y.M., Formantici C. Enzyme applications in detergency and in manufacturing industries. Current organic chemistry. 2003; 7(13): 1399-1422. https://doi.org/10.2174/1385272033486468
Bedford M.R., Morgan A.J., Fowler T., Clarkson K.A., Ward M.A., Collier K.D., Larenas E.A. US Patent. no. 6562340, 2003.
Akhtar M. Biochemical pulping of aspen wood chips with three strains of Ceriporiopsis subvermispora, Holzforschung. 1994; 48: 199-202. https://doi.org/10.1515/hfsg.1994.48.3.199
Oksanen T., Pere J., Buchert J., Viikari L. The effect of Trichoderma reesei cellulases and hemicellulases on the paper technical properties of never-dried bleached kraft pulp, Cellulose. 1997; 4(4): 329-339. https://doi.org/10.1023/A:1018456411031
Prasad D.Y., Heitmann J.A., Joyce T.W. Enzyme deinking of black and white letterpress printed newsprint waste. Progress in paper recycling. 1992; 1(3); 21-30.
Pere J., Paavilainen J., Siikaaho M., Cheng Z., Viikari L. Potential use of enzymes in drainage control of nonwood pulps. 1996, Proceedings, 3rd International Non-wood fiber pulping and papermaking conference, Peter Lang Publishing Group., 421-430.
Franks N.E., Bazewicz S.E., Holm H.C. US Patent No. 5525193, 1996.
Kubicek C.P. Applications of Trichoderma reesei enzymes in the pulp and paper industry. Trichoderma and Gliocladium. 1998; 2: 357-378.
Salkinoja-Salonen M., US Patent No. 4980023, 1990.
Hsu J.C., Lakhani N.N., US Patent No. 6413363, 2002.
Sharyo M., Sakaguchi H., Ohishi M., Takahashi M., Kida K., Tamagawa H., Schulein M. Franks N., US Patent No. 6468391, 2002.
Martin J.W., US Patent No. 4092175, 1978.
Deshpande V., Keskar S., Mishra C., Rao M. Direct conversion of cellulose/hemicellulose to ethanol by Neurospora crassa. Enzyme and microbial technology. 1986; 8(3): 149-152. https://doi.org/10.1016/0141-0229(86)90103-1
Sudha Rani K., Swamy M.V., Seenayya G. Increased ethanol production by metabolic modulation of cellulose fermentation in Clostridium thermocellum. Biotechnology letters. 1997; 19(8): 819-823. https://doi.org/10.1023/A:1018312931542
Kovaleva T.A., Kholyavka M.G., Artyukhov V.G. Characteristics of inulinases: methods for regulation and stabilization of their activity. Biotechnology in Russia. 2012; 1: 43-63.
Artyukhov V.G., Kholyavka M.G., Kovaleva T.A. Structural and functional properties of inulinases. Ways to regulate their activity. Biophysics. 2013; 58(4): 493-501.
Holyavka M.G., Kayumov A.R., Baydamshina D.R., Koroleva V.A., Trizna E.Y., Trushin M.V., Artyukhov V.G. Efficient fructose production from plant extracts by immobilized inulinases from Kluyveromyces marxianus and Helianthus tuberosus. International journal of biological macromolecules. 2018; 115: 829-834. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.04.107
Kholyavka M.G., Kovaleva T.A., Khrupina E.A., Volkova S.A., Artyukhov V.G. Design of a heterogeneous enzymatic preparation on the basis of immobilized inulinase from Helianthus tuberosus. Biotechnology in Russia. 2012; 6: 31-41.
Ol'shannikova S.S., Malykhina N.V., Lavlinskaya M.S., Sorokin A.V., Kholyavka M.G., Artyukhov V.G. Razrabotka biokatalizatora na osnove papaina, stabilizirovannogo v kompleksakh s khitozanom i ego proizvodnymi: karboksimetilkhitozanom i N-(2-gidroksi)propil-3-trimetilammonii khitozanom. Biotekhnologiya. 2022; 38(1): 39-46.
Gorbacheva I.I., Skorikova E.E., Vikhoreva G.A., Gal'braikh L.S., Babievskii K.K. Stroenie i svoistva sul'fata khitozana. VMS. Seriya A. 1991; 9: 1899-1904.
Sakibaev F.A., Holyavka M.G., Artyuhov V.G. Certificate of state registration of the computer program. No 2019616471, 2019.
Yan J., Liu W., Li Y., Lai H.L., Zheng Y., Huang J.W., Guo R.T. Functional and structural analysis of Pichia pastoris-expressed Aspergillus niger 1, 4-β-endoglucanase. Biochemical and Biophysical Research Communications. 2016; 475(1): 8-12. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2016.05.012
Selemenev V.F., Rudakov O.B., Eliseeva T.V., Voronyuk I.V., Karpov S.I., Belanova N.A., Mironenko N.V., Sinyaeva L.A. Mezhmolekulyarnye vzaimodejstviya i obrazovanie peresyshchennyh rastvorov aminokislot v faze vysokoosnovnogo anionita. Soobshchenie 1. Vestnik VGU. Seriya: Himiya. Biologiya. Farmaciya. 2021;1: 20-35. (In Russ.)
Janin J., Chothia C., The structure of protein-protein recognition sites. Journal of Biological Chemistry. 1990; 265(27): 16027-16030.
Zvelebil M.J.J.M., Thornton J.M., Peptide-protein interactions: an overview. Quarterly reviews of biophysics. 1993; 26(3): 333-363.
Petrek M., Otyepka M., Banas P., Kosinova P., Koca J., Damborsky J. CAVER: a new tool to explore routes from protein clefts, pockets and cavities. BMC bioinformatics. 2006; 7(1): 316.
Chaloupkova R., Sykorova J., Prokop Z., Jesenska A., Monincova M., Pavlova M., Tsuda M., Nagata Y., Damborsky J., Modification of activity and specificity of haloalkane dehalogenase from Sphingomonas paucimobilis UT26 by engineering of its entrance tunnel. Journal of Biological Chemistry. 2003; 278(52): 52622-52628.
