RU2312897C1 - Recombinant thermostable formate dehydrogenase - Google Patents

Recombinant thermostable formate dehydrogenase Download PDF

Info

Publication number
RU2312897C1
RU2312897C1 RU2006127139/13A RU2006127139A RU2312897C1 RU 2312897 C1 RU2312897 C1 RU 2312897C1 RU 2006127139/13 A RU2006127139/13 A RU 2006127139/13A RU 2006127139 A RU2006127139 A RU 2006127139A RU 2312897 C1 RU2312897 C1 RU 2312897C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
formate dehydrogenase
formate
wild
enzyme
amino acid
Prior art date
Application number
RU2006127139/13A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Иванович Тишков (RU)
Владимир Иванович Тишков
Св тослав Сергеевич Савин (RU)
Святослав Сергеевич Савин
Лариса Ивановна Савина (RU)
Лариса Ивановна Савина
Владимир Витальевич Федорчук (RU)
Владимир Витальевич Федорчук
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Инновации и высокие технологии МГУ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Инновации и высокие технологии МГУ" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Инновации и высокие технологии МГУ"
Priority to RU2006127139/13A priority Critical patent/RU2312897C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2312897C1 publication Critical patent/RU2312897C1/en

Links

Abstract

FIELD: biotechnology, biochemistry, enzymes.
SUBSTANCE: invention represents a recombinant formate dehydrogenase showing amino acid sequence that corresponds to amino acid sequence of formate dehydrogenase of wild type and containing glutamic acid residue at position corresponding to position 106 in amino acid sequence of formate dehydrogenase from Mycobacterium vaccae N10 wherein glutamic acid residue is replaced for arginine residue. This substitution can be used in combination with other mutations providing acquiring novel and/or improved properties in formate dehydrogenases. Invention provides preparing novel formate dehydrogenase that possesses the enhanced stability as compared with other enzymes.
EFFECT: improved and valuable biochemical property of enzyme.
4 cl, 2 tbl, 5 ex

Description

Изобретение относится к области генной и белковой инженерии и может быть использовано в анализе формиата в сложных образцах и в процессах ферментативного синтеза оптически активных соединений или физиологически активных веществ с использованием дегидрогеназ.The invention relates to the field of genetic and protein engineering and can be used in the analysis of formate in complex samples and in the processes of enzymatic synthesis of optically active compounds or physiologically active substances using dehydrogenases.

Получены новые мутантные формы формиатдегидрогеназы (ФДГ) бактерий, характеризующиеся повышенной по сравнению с соответствующими ферментами дикого типа термостабильностью. Все предложенные мутеины характеризуются тем, что природный аминокислотный остаток глутаминовой кислоты в положении, соответствующем положению 106 в последовательности формиатдегидрогеназы из Mycobacterium vaccae N10, заменен на остаток аргинина. Данная замена может быть использована в комбинации с другими мутациями, обеспечивающими приобретение формиатдегидрогеназами новых или улучшенных свойствNew mutant forms of formate dehydrogenase (FDH) bacteria have been obtained, characterized by increased thermal stability compared to the corresponding wild-type enzymes. All proposed muteins are characterized in that the natural amino acid residue of glutamic acid at the position corresponding to position 106 in the formate dehydrogenase sequence from Mycobacterium vaccae N10 is replaced with an arginine residue. This substitution can be used in combination with other mutations that provide formate dehydrogenases with new or improved properties.

Настоящее изобретение относится к новому белку, в частности мутантным формиатдегидрогеназам из бактерий, которые обладают повышенной термостабильностью по сравнению с соответствующим ферментом дикого типа, к ДНК, кодирующей мутантные формиатдегидрогеназы, к применению данных ферментов в аналитических тестах на наличие формиата, к наборам, включающим их и в процессах ферментативного синтеза оптически активных соединений или физиологически активных веществ с помощью дегидрогеназ.The present invention relates to a new protein, in particular, mutant formate dehydrogenases from bacteria that have increased thermal stability compared to the corresponding wild-type enzyme, to DNA encoding mutant formate dehydrogenases, to the use of these enzymes in analytical tests for the presence of formate, to kits including them and in the processes of enzymatic synthesis of optically active compounds or physiologically active substances using dehydrogenases.

НАД+-зависимая формиатдегидрогеназа катализирует окисление формиата до углекислого газа при сопряженном восстановлении НАД+ до НАДН.NAD + -dependent formate dehydrogenase catalyzes the oxidation of formate to carbon dioxide during the coupled reduction of NAD + to NADH.

Figure 00000001
Figure 00000001

Исключительно высокую специфичность формиатдегидрогеназы к формиату используют для определения формиата в сложных смесях. Необратимость реакции, катализируемой этим ферментом, и широкий рН-оптимум активности формиатдегидрогеназы позволяют очень эффективно его использовать для регенерации НАДН в процессах синтеза оптически активных соединений с использованием дегидрогеназ. В качестве примера можно привести крупномасштабный процесс получения терт-L-лейцина из триметилпирувата с использованием лейциндегидрогеназы с системой регенерации НАДН на основе формиатдегидрогеназы из дрожжей Candida boidinii (Bommarius et al., Tetrahedron Asymmetry 1995, 6, 2851-2852).The exceptionally high specificity of formate dehydrogenase to formate is used to determine formate in complex mixtures. The irreversibility of the reaction catalyzed by this enzyme and the wide pH optimum of the formate dehydrogenase activity allow it to be used very effectively for the regeneration of NADH in the synthesis of optically active compounds using dehydrogenases. An example is the large-scale process for producing tert-L-leucine from trimethylpyruvate using leucine dehydrogenase with a NADH regeneration system based on formate dehydrogenase from Candida boidinii yeast (Bommarius et al., Tetrahedron Asymmetry 1995, 6, 2851-2852).

Формиатдегидрогеназы широко распространены в природе и могут быть получены из бактерий, дрожжей, низших грибов и высших растений. Подробный список известных источников формиатдегидрогеназ можно найти в обзоре (Tishkov V., Popov V. Protein engineering of formate dehydrogenase. Biomolecular Engineering, 2006, v.23, N2-3, p.89-110). Однако поскольку многие из генов, кодирующих данные ферменты, были клонированы и секвенированы, их можно также получить с использованием технологии рекомбинантных ДНК. Последовательности рекомбинантной ДНК, кодирующие ферменты, используют для трансформации микроорганизмов, таких как E.coli, которые затем экспрессируют желаемый ферментный продукт.Formate dehydrogenases are widespread in nature and can be obtained from bacteria, yeast, lower fungi and higher plants. A detailed list of known sources of formate dehydrogenases can be found in the review (Tishkov V., Popov V. Protein engineering of formate dehydrogenase. Biomolecular Engineering, 2006, v. 23, N2-3, p. 89-110). However, since many of the genes encoding these enzymes have been cloned and sequenced, they can also be obtained using recombinant DNA technology. Recombinant DNA sequences encoding enzymes are used to transform microorganisms such as E. coli, which then express the desired enzyme product.

Недостатком природных формиатдегидрогеназ и рекомбинантных формиатдегидрогеназ дикого типа можно признать их низкую каталитическую активность и относительно невысокую химическую и температурную стабильность. Особенно это актуально для ферментов из дрожжей, низших грибов и высших растений. Наиболее высокой химической и температурной стабильностью обладает формиатдегидрогеназа из бактерий Pseudomonas sp.101. Для этого фермента описаны мутантные формы, в которых остатки серина в положениях 131, 160, 184 и 228 (все они относятся к альфа-спиральным участкам структуры фермента) заменены на остатки аланина (Rojkova et. al. Bacterial formate dehydrogenase. Increasing the enzyme thermal stability by hydrophobization of alpha helices. FEBS Letters - 1999, v.445, N1, p.183-188). Полученные мутантные ферменты с одной, двумя и суммарно с четырьмя аминокислотным заменами превосходили по термостабильности ФДГ дикого типа из Pseudomonas sp.101 на 10-60%. Для формиатдегидрогеназы из C.boidinii известны мутантные формы, которые превосходят соответствующий фермент дикого типа по активности, химической и температурной стабильности (Slusarczyk H., Felber S., Kula M. - R., Pohl M., 2003. Novel mutants of formate dehydrogenase from Candida boidinii. US Patent Application Publication US 2003/0157664, 21.09.2003), которые однако по всем этим параметрам уступают мутантной PseФДГ с заменой Cys255Ala (Одинцева Е.Р., Попова А.С., Рожкова A.M., Тишков В.И. Роль остатков цистеина в стабильности бактериальной формиатдегидрогеназы. Вестн. Моск. Ун-та. Сер.2, Химия, 2002, т.43, №6, с.356-359).The disadvantage of natural formate dehydrogenases and recombinant wild-type formate dehydrogenases is their low catalytic activity and relatively low chemical and temperature stability. This is especially true for enzymes from yeast, lower fungi and higher plants. Formate dehydrogenase from bacteria Pseudomonas sp. 101 has the highest chemical and temperature stability. For this enzyme, mutant forms are described in which the serine residues at positions 131, 160, 184 and 228 (all of which belong to the alpha-helical regions of the enzyme structure) are replaced with alanine residues (Rojkova et. Al. Bacterial formate dehydrogenase. Increasing the enzyme thermal stability by hydrophobization of alpha helices. FEBS Letters - 1999, v.445, N1, p. 183-188). The obtained mutant enzymes with one, two, and a total of four amino acid substitutions exceeded the thermal stability of FDG wild-type from Pseudomonas sp. 101 by 10-60%. Mutant forms are known for formate dehydrogenase from C. boidinii that surpass the corresponding wild-type enzyme in activity, chemical and temperature stability (Slusarczyk H., Felber S., Kula M. - R., Pohl M., 2003. Novel mutants of formate dehydrogenase from Candida boidinii. US Patent Application Publication US 2003/0157664, 09/21/2003), which, however, are inferior in all these parameters to the mutant PseFDG with the replacement Cys255Ala (Odintseva E.R., Popova A.S., Rozhkova AM, Tishkov V.I. The role of cysteine residues in the stability of bacterial formate dehydrogenase. Vestn. Mosk. Un. Ser. 2, Chemistry, 2002, v. 43, No. 6, pp. 356-359).

Техническая задача, решаемая посредством предлагаемого технического решения, состоит в получении мутантной формы формиатдегидрогеназы с улучшенными характеристиками.The technical problem solved by the proposed technical solution is to obtain a mutant form of formate dehydrogenase with improved characteristics.

Технический результат, получаемый при реализации предлагаемого технического решения, состоит в повышении термостабильности полученной формы формиатдегидрогеназы.The technical result obtained by the implementation of the proposed technical solution is to increase the thermal stability of the obtained form of formate dehydrogenase.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать рекомбинантную термостабильную формиатдегидрогеназу, характеризующуюся аминокислотной последовательностью, которая соответствует аминокислотной последовательности формиатдегидрогеназы дикого типа с заменой природного остатка глутаминовой кислоты в положении, соответствующем положению 106 в последовательности формиатдегидрогеназы Mycobacterium vaccae N10, остатком аргинина, введение которого обеспечивает повышение термостабильности модифицированного фермента. Последовательность указанной формиатдегидрогеназы дикого типа предпочтительно соответствует формиатдегидрогеназе Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp.101, Thiobacillus sp.KNK65MA, Ancylobacter aquaticus sp.KNK607M, Moraxella sp.C-1, Paracoccus denitrificans PD1222, Paracoccus sp.12-A, Hyphomicrobium sp.JC17, Sinorhizobium meliloti 1021. Наиболее предпочтительно последовательность формиатдегидрогеназы дикого типа является последовательностью фермента, получаемого из Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp.101 или Moraxella sp.C-1. Преимущественно белок обладает, по меньшей мере, 80%-ной гомологией по отношению к формиатдегидрогеназе из Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp.101 или Moraxella sp.C-1 и содержит остаток глутаминовой кислоты в положении, соответствующем положению 106 в аминокислотной последовательности формиатдегидрогеназы из Mycobacterium vaccae N10. Кроме того, помимо замены природного остатка глутаминовой кислоты на остаток аргинина в положении, соответствующем положению 106 в аминокислотной последовательности формиатдегидрогеназы из Mycobacterium vaccae N10, она может содержать, по меньшей мере, одну дополнительную замену, обеспечивающую улучшение термостабильности, химической стабильности, кинетических свойств, попарное или одновременное улучшение всех вышеуказанных свойств по сравнению с соответствующей формиатдегидрогеназой дикого типа.To achieve the indicated technical result, it was proposed to use a recombinant thermostable formate dehydrogenase characterized by an amino acid sequence that corresponds to the amino acid sequence of wild-type formate dehydrogenase with the substitution of the natural residue of glutamic acid at position corresponding to position 106 in the Mycobacterium vaccae N10 formate dehydrogenase sequence, the addition of which enzyme. The sequence of the indicated wild-type formate dehydrogenase preferably corresponds to the formate dehydrogenase Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp. 101, Thiobacillus sp.KNK65MA, Ancylobacter aquaticus sp.KNK607M, Moraxella sp.C-1, Paracoccus denimbritium. , Sinorhizobium meliloti 1021. Most preferably, the wild-type formate dehydrogenase sequence is an enzyme sequence derived from Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp. 101 or Moraxella sp.C-1. Preferably, the protein has at least 80% homology with respect to formate dehydrogenase from Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp. 101 or Moraxella sp. C-1 and contains a glutamic acid residue at position corresponding to position 106 in the amino acid sequence of formate dehydrogenase from Mycobacterium vaccae N10. In addition, in addition to replacing the natural glutamic acid residue with an arginine residue at the position corresponding to position 106 in the amino acid sequence of the formate dehydrogenase from Mycobacterium vaccae N10, it may contain at least one additional substitution, which provides the improvement of thermal stability, chemical stability, kinetic properties, pairwise or a simultaneous improvement of all of the above properties compared with the corresponding wild-type formate dehydrogenase.

Белки по изобретению включают как формиатдегидрогеназы дикого типа, так и рекомбинантные. Они обычно обладают 70% гомологией по отношению к последовательностям дикого типа, как таковые у фермента Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp.101 или Moraxella sp.C-1, в том смысле, что, по меньшей мере, 70% аминокислот, находящихся в ферментах дикого типа, находятся в белках по изобретению. Такие белки могут обладать более высокой степенью гомологии, в частности, по меньшей мере, 80%, и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 90% по отношению к ферментам дикого типа, перечисленным выше. Гомологию определенной последовательности по отношению к последовательностям по изобретению можно оценить с использованием метода множественного сравнительного анализа первичной структуры, описанного Lipman and Pearson (Lipman D.J. & Pearson W.R. Rapid and Sensitive Protein Similarity Searches, Science, 1985, vol.227, pp.1435-1441). Следует высчитать «оптимизированную» процентную схему по следующим параметрам для алгоритма Липмана-Пирсона: ktup =1, пробел =4 и длина пробела =12. Последовательности, для которых требуется оценить гомологию, следует использовать в качестве «испытуемой последовательности», что означает, что основную последовательность для сравнения, такую как последовательность из Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp.101 или Moraxella sp.C-1 следует вводить в алгоритм первой. Мутантная форма формиатдегидрогеназы по изобретению может быть получена из Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp.101, Thiobacillus sp.KNK65MA, Ancylobacter aquaticus sp.KNK607M, Moraxella sp.C-1, Paracoccus denitrificans PD1222, Paracoccus sp.12-A, Hyphomicrobium sp.JC17, Sinorhizobium meliloti 1021, некультивируемых морских гамма-протеобактерий ЕВАС20Е09.The proteins of the invention include both wild-type and recombinant formate dehydrogenases. They usually have 70% homology to wild-type sequences, such as those of the enzyme Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp. 101 or Moraxella sp.C-1, in the sense that at least 70% of the amino acids present in the enzymes wild type found in the proteins of the invention. Such proteins may have a higher degree of homology, in particular at least 80%, and most preferably at least 90% with respect to the wild-type enzymes listed above. The homology of a particular sequence with respect to the sequences of the invention can be estimated using the method of multiple comparative analysis of the primary structure described by Lipman and Pearson (Lipman DJ & Pearson WR Rapid and Sensitive Protein Similarity Searches, Science, 1985, vol. 227, pp. 1435-1441 ) The “optimized” percentage scheme should be calculated according to the following parameters for the Lipman-Pearson algorithm: ktup = 1, space = 4 and space length = 12. Sequences for which homology should be evaluated should be used as the “test sequence”, which means that the main sequence for comparison, such as the sequence from Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp. 101 or Moraxella sp.C-1, should be entered into the algorithm first . The mutant formate dehydrogenase according to the invention can be obtained from Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp. 101, Thiobacillus sp.KNK65MA, Ancylobacter aquaticus sp.KNK607M, Moraxella sp.C-1, Paracoccus denitrificans PD1222, Paracoccus denitrificans PD12.12, Paracoccus denitrificans Hyphom. JC17, Sinorhizobium meliloti 1021, uncultivated marine gamma proteobacteria EBAC20E09.

Экспериментально установлено, что рекомбинантные бактериальные формиатдегидрогеназы, полученные из Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp.101 и Moraxella sp.C-1 и содержащие замену Glu106Arg, обладают повышенной термостабильностью по сравнению с ферментами дикого типа. Также экспериментально установлено, что введение замены Glu106Arg в мутантную форму формиатдегидрогеназы из Pseudomonas sp.101 с другими аминокислотными заменами, обеспечивающими повышение термостабильности фермента, приводит к получению нового мутантного фермента с еще более высокой термостабильностью.It was experimentally established that recombinant bacterial formate dehydrogenases obtained from Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp. 101 and Moraxella sp.C-1 and containing the replacement Glu106Arg, have increased thermal stability compared to wild-type enzymes. It was also experimentally established that the introduction of the replacement of Glu106Arg into the mutant formate dehydrogenase from Pseudomonas sp.101 with other amino acid substitutions providing increased thermal stability of the enzyme results in a new mutant enzyme with even higher thermal stability.

В дальнейшем способы получения и преимущества полученной модифицированной формиатдегидрогеназы будут рассмотрены с использованием примеров ее реализации.In the future, the methods of preparation and advantages of the obtained modified formate dehydrogenase will be considered using examples of its implementation.

Пример 1.Example 1

Получение мутантной формиатдегидрогеназы Mycobacterium vaccae N10 с повышенной термостабильностью с использованием неупорядоченного мутагенеза.Obtaining a mutant formate dehydrogenase Mycobacterium vaccae N10 with increased thermal stability using disordered mutagenesis.

Все генно-инженерные манипуляции, если не оговорено особо, осуществлены в соответствии с Манниатис Е., Фрич. Э., Сэмбрук Дж. Молекулярное клонирование, М. - Мир, 1984 или в соответствии с инструкциями фирм-производителей приборов, наборов и других реагентов. Все эти методы хорошо известны специалистам в данной области.All genetic engineering manipulations, unless otherwise specified, are carried out in accordance with Manniatis E., Fritsch. E., Sambrook J. Molecular Cloning, M. - Mir, 1984 or in accordance with the instructions of manufacturers of devices, kits and other reagents. All of these methods are well known to those skilled in the art.

Неупорядоченный мутагенез полноразмерного гена ФДГ из Mycobacterium vaccae N10 проводили с использованием полимеразной цепной реакции (ПНР) в условиях, обеспечивающих возникновение ошибок в последовательности ДНК (Caldwell R.С., Joyce G.F. Randomization of Genes Mutagenesis. PCR Methods Appl.2, 1992, 28-33) (error-prone PCR). В качестве матрицы для проведения неупорядоченного мутагенеза использовали плазмиду pFDH6, в которой ген формиатдегидрогеназы находится под контролем тандема двух промоторов - lac- и tac. Плазмида pFDH6 получена из коммерчески доступной плазмиды pUC119, в которую по сайтам рестрикции HindIII и BamHI встроен фрагмент ДНК размером 81 основание, вырезанный по тем же сайтам рестрикции из другой коммерчески доступной плазмиды pDR540 и содержащий tac-промотор (подробно получение этой плазмиды см. в Tishkov V.I., Galkin A.G., Fedorchuk V.V., Savitsky P.A., Rojkova A.M., Gieren H., Kula M. - R. Pilot scale production and isolation of recombinant NAD+- and NADP+-specific formate dehydrogenase. Biotechnology & Bioengineering - 1999, v.64, N2, p.187-193). Ген ФДГ из Mycobacterium vaccae N10 встраивали в плазмиду pFDH6 по сайтам рестрикции BamHI и EcoRI, которые вводили с использованием ПЦР по хорошо известной методике соответственно перед рибосомсвязывающим участком и сразу за стоп-кодном. В результате получили плазмиду pMycFDH6. Ее выделили из клеток Е.coli с использованием набора для выделения плазмид NucleoSpin® Plus согласно инструкции фирмы-производителя (Macherey-Nagel GmbH & Со. KG).The disordered mutagenesis of the full-sized FDH gene from Mycobacterium vaccae N10 was carried out using polymerase chain reaction (NDP) under conditions that caused errors in the DNA sequence (Caldwell R.C., Joyce GF Randomization of Genes Mutagenesis. PCR Methods Appl.2, 1992, 28 -33) (error-prone PCR). Plasmid pFDH6, in which the formate dehydrogenase gene is controlled by the tandem of two promoters, lac and tac, was used as a matrix for random mutagenesis. Plasmid pFDH6 was obtained from the commercially available plasmid pUC119, in which a 81-base DNA fragment was inserted from the HindIII and BamHI restriction sites, cut at the same restriction sites from another commercially available plasmid pDR540 and containing the tac promoter (for details, see Tishkov for obtaining this plasmid VI, Galkin AG, Fedorchuk VV, Savitsky PA, Rojkova AM, Gieren H., Kula M. - R. Pilot scale production and isolation of recombinant NAD + - and NADP + -specific formate dehydrogenase. Biotechnology & Bioengineering - 1999, v. 64, N2, p. 187-193). The FDG gene from Mycobacterium vaccae N10 was inserted into the pFDH6 plasmid at the BamHI and EcoRI restriction sites, which were introduced using PCR according to the well-known method, respectively, before the ribosomal binding site and immediately after the stop coding. As a result, the plasmid pMycFDH6 was obtained. It was isolated from E. coli cells using the NucleoSpin® Plus plasmid isolation kit according to the manufacturer's instructions (Macherey-Nagel GmbH & Co. KG).

Для проведения ПЦР с ошибками использовали пару следующих праймеров:For PCR with errors used a pair of the following primers:

pFDH6For 5′-CAT GAT TAC GCC AAG CTT ACT C-3′pFDH6For 5′-CAT GAT TAC GCC AAG CTT ACT C-3 ′

pFDH6Rev 5′-AAC GAC GGC CAG TGA ATT CAC-3′pFDH6Rev 5′-AAC GAC GGC CAG T GA ATT C AC-3 ′

Последовательности этих праймеров являются частью последовательности плазмиды pFDH6 и могут быть использованы для введения неупорядоченных мутаций с использованием ПЦР в любой ген, клонированный в эту плазмиду. Реакционная смесь для проведения ПЦР с ошибками имела следующий состав (таблица 1).The sequences of these primers are part of the sequence of the pFDH6 plasmid and can be used to introduce random mutations using PCR into any gene cloned into this plasmid. The reaction mixture for PCR with errors had the following composition (table 1).

Таблица 1.Table 1. Состав реакционной смеси для проведения ПЦР с ошибкамиThe composition of the reaction mixture for PCR with errors Количествоamount КомпонентComponent 5 мкл5 μl 10-кратный мутагенезный буфер (60 мМ MgCl2, 500 мМ KCl, 0.1% (вес/объем) желатин, 20 мМ Tris-HCl, 50 mM (NH4)2SO4, pH 8.3 при 25°С)10-fold mutagenic buffer (60 mM MgCl 2 , 500 mM KCl, 0.1% (w / v) gelatin, 20 mM Tris-HCl, 50 mM (NH 4 ) 2 SO 4 , pH 8.3 at 25 ° C) 5 мкл5 μl 10-кратный раствор смеси dNTP для мутагенеза (2 мМ dGTP и dATP, 10 мМ dTTPu dCTP)10-fold dNTP mutagenesis solution (2 mM dGTP and dATP, 10 mM dTTPu dCTP) 1,5-5 мкл1.5-5 μl 10-кратный раствор MnCI2 (5 mM MnCl2)10x MnCI 2 solution (5 mM MnCl 2 ) 2 фептамоль2 feptamol ДНК-матрица (примерно 3,4 нг плазмиды размером 4400 пар нуклеотидов, т.е. pMycFDH6)DNA template (approximately 3.4 ng of a plasmid with a size of 4400 nucleotides, i.e. pMycFDH6) 25 пикомоль25 picomole праймер pFDH6Forprimer pFDH6For 25 пикомоль25 picomole праймер pFDH6Revprimer pFDH6Rev 1 мкл1 μl Taq ДНК-полимераза (3 ед./мкл), Сибэнзим, РоссияTaq DNA polymerase (3 units / μl), Sibenzym, Russia до 50 мклup to 50 μl деионизованная вода, очищенная с использованием системы Millipore MilliQdeionized water purified using Millipore MilliQ system

Реакцию проводили в тонкостенной пластиковой пробирке объемом 0,5 мл (Eppendorf, Германия). Для предотвращения испарения реакционной смеси и ее конденсации на крышке в пробирку добавляли 50 мкл минерального масла. Пробирку прогревали 5 мин при 95°С и затем проводили реакцию ПЦР с ошибками по следующей программе: 1-я стадия - 95°С, 60 с; 2-я стадия - 50°С, 45 с и 3-я стадия - 72°С, 2 мин, всего 25-35 циклов. После этого реакционную смесь выдерживают еще 5 мин при 72°С. Температуру на второй стадии выбирают на 3-5 градусов ниже Tm температуры плавления дуплексов, образуемых праймерами.The reaction was carried out in a 0.5 ml thin-walled plastic tube (Eppendorf, Germany). To prevent evaporation of the reaction mixture and its condensation on the lid, 50 μl of mineral oil was added to the tube. The tube was heated for 5 min at 95 ° C and then the PCR reaction was performed with errors according to the following program: 1st stage - 95 ° C, 60 s; Stage 2 - 50 ° C, 45 s and Stage 3 - 72 ° C, 2 min, 25-35 cycles in total. After that, the reaction mixture was incubated for another 5 min at 72 ° C. The temperature in the second stage is chosen 3-5 degrees below Tm the melting point of the duplexes formed by the primers.

Продукты ПЦР очищают или с использованием предназначенных для этого наборов (например, NucleoSpin Extract (Macherey-Nagel GmbH & Co. KG)) или с использованием препаративного электрофореза в агарозном геле. Затем их обрабатывают рестриктазами BamHI и EcoRI в течение 6 часов при 37°С, очищают от коротких фрагментов препаративным электрофорезом в агарозном геле с последующей экстракцией нужной полосы из агарозы с использованием набора NucleoSpin Extract (Macherey-Nagel GmbH & Co. KG) и клонируют в исходную плазмиду, из которой предварительно по тем же сайтам рестрикции BamHI и EcoRI удален фрагмент с геном ФДГ из Mycobacterium vaccae N10 дикого типа. Полученную библиотеку мутантных клонов экспрессировали в штамме Е.coli TG1 (генотип supE hsdΔ5 thi Δ(lac-proAB) F′[traD36 proAB+ lacIq lacZΔM15])). Плазмида pMycFDH6 имеет ген бета-лактамазы и придает клеткам E.coli, содержащим эту плазмиду, резистентность к ампициллину.PCR products are purified either using suitable kits (e.g., NucleoSpin Extract (Macherey-Nagel GmbH & Co. KG)) or using preparative agarose gel electrophoresis. They are then treated with restriction enzymes BamHI and EcoRI for 6 hours at 37 ° C, purified from short fragments by preparative agarose gel electrophoresis, followed by extraction of the desired strip from agarose using a NucleoSpin Extract kit (Macherey-Nagel GmbH & Co. KG) and cloned into the original plasmid from which the FDH gene fragment from wild-type Mycobacterium vaccae N10 was previously removed from the same BamHI and EcoRI restriction sites. The resulting library of mutant clones was expressed in E. coli TG1 strain (genotype supE hsdΔ5 thi Δ (lac-proAB) F ′ [traD36 proAB + lacI q lacZΔM15]). Plasmid pMycFDH6 has a beta-lactamase gene and confers ampicillin resistance to E. coli cells containing this plasmid.

Штамм Е.coli TG1 трансформировали полученной библиотекой электропорацией с использованием генератора импульсов BIORAD для Е.coli и выращивали в течение ночи при 37°С на агаре LB, содержащем ампициллин в концентрации 150 мкг/мл и 0,1 мМ изопропил-β-D-тиогалактозида (ИПТГ). Диаметр колоний в конце культивирования составлял около 1 мм.The E. coli TG1 strain was transformed with the electroporation library obtained using a BIORAD pulse generator for E. coli and grown overnight at 37 ° C on LB agar containing ampicillin at a concentration of 150 μg / ml and 0.1 mM isopropyl-β-D- thiogalactoside (IPTG). The diameter of the colonies at the end of the cultivation was about 1 mm.

По окончании культивирования клетки заливали 1,5% раствором агарозы с буфером для лизиса №1 (0,1 М фосфатный буфер; рН 7,0, 0,2% Тритон Х-100, 10 мМ ЭДТА) в количестве, достаточном для образования слоя толщиной около 2 мм. Перед заливкой температура агарозы не должна превышать 55-60°С. После затвердевания агарозы чашки 5 раз промывали буфером для лизиса №1 и 5 раз 0,1 М фосфатным буфером, рН 7,0 (толщина слоя раствора на чашке 5 мм).At the end of the cultivation, the cells were poured with a 1.5% agarose solution with lysis buffer No. 1 (0.1 M phosphate buffer; pH 7.0, 0.2% Triton X-100, 10 mM EDTA) in an amount sufficient to form a layer about 2 mm thick. Before pouring, the temperature of the agarose should not exceed 55-60 ° C. After the agarose solidified, the plates were washed 5 times with lysis buffer No. 1 and 5 times with 0.1 M phosphate buffer, pH 7.0 (the thickness of the solution layer on the plate was 5 mm).

Далее колонии окрашивали по активности. Для этого готовили проявляющий раствор №1 (0,1 М фосфатный буфер, содержащий 1,5 М формиат натрия, 0,2 г/л феназинметасульфата, 2 г/л нитротетразолия синего, рН 7,0. Раствор покрывает чашки слоем толщиной 1-2 мм. После инкубации чашек с проявляющим раствором №1 в течение 10 мин в темноте при постоянном перемешивании к ним добавляли проявляющий раствор №2 (60 мг/мл НАД+ в 0,1 М фосфатном буфере, рН 7,0) из расчета 1 часть проявляющего раствора №2 на 50 частей проявляющего раствора №1. Далее чашки инкубируют в темноте при 30°С при перемешивании (примерно 15-30 мин) пока не станет заметно образование черно-коричневого гало вокруг колоний. Затем чашки промывают дважды раствором 0,1 М фосфатного буфера, рН 7,0 и подсушивают, чтобы можно было отобрать колонии для дальнейшего культивирования.Next, the colonies were stained for activity. For this, a developing solution No. 1 was prepared (0.1 M phosphate buffer containing 1.5 M sodium formate, 0.2 g / L phenazine methasulfate, 2 g / L blue nitrotetrazolium, pH 7.0. The solution covers the cups with a 1- layer thickness 2 mm After incubation of the cups with the developing solution No. 1 for 10 minutes in the dark with constant stirring, they added the developing solution No. 2 (60 mg / ml NAD + in 0.1 M phosphate buffer, pH 7.0) at the rate of 1 part of the developing solution No. 2 to 50 parts of the developing solution No. 1. Next, the plates are incubated in the dark at 30 ° C. with stirring (about 15-30 minutes) until the formation of a black-brown halo around the colonies is noticeable, then the plates are washed twice with a solution of 0.1 M phosphate buffer, pH 7.0 and dried, so that the colonies can be selected for further cultivation.

Колонии, содержащие активную формиатдегидрогеназу, отбирают и культивируют в течение ночи при 37°С в 96-луночных микропланшетах в 0,2 мл среды 2YT, содержащей ампициллин в концентрации 150 мкг/мл. Полученные растворы колоний в микропланшетах использовали как запасные для дальнейшей работы.Colonies containing active formate dehydrogenase were selected and cultured overnight at 37 ° C in 96-well microplates in 0.2 ml of 2YT medium containing ampicillin at a concentration of 150 μg / ml. The obtained solutions of colonies in microplates were used as spare for further work.

Для поиска клонов, содержащих формиатдегидрогеназу с повышенной термостабильностью, проводили повторное культивирование. Для этого из лунок запасных микропланшетов отбирали по 50 мкл суспензии клеток и переносили в новый микропланшет, содержащий в каждой лунке по 0,2 мл среды 2YT, ампициллин в концентрации 150 мкг/мл и 0,1 мМ ИПТГ. Микропланшеты с клетками инкубировали в течение ночи при 37°С при постоянном перемешивании. После окончания культивирования клетки в микропланшетах осаждали центрифугированием (1600 g, 15 мин, 20°С), удаляли из лунок культуральную жидкость и ресуспендировали в 200 мкл буфера для лизиса №2 (0,1 М фосфатный буфер, рН 8,0, яичный лизоцим 0,1 мг/мл и Тритон Х-100, 0,1 объемных %). Лизис клеток проводили в течение 2 часов при 35°С при постоянном перемешивании. Клеточный дебрис осаждали с использованием центрифугирования (5000 g, 15 мин, 20°С). 25 мкл супернатанта переносили в новый микропланшет для измерения исходной активности (АO). Для этого в каждую лунку нового микропланшета добавляли еще по 175 мкл фосфатного буфера, рН 7,0, содержащего 0,35 М формиата натрия и 1,2 мг/мл НАД+ Реакцию регистрировали при 30°С по увеличению поглощения на 340 нм на анализаторе микропланшетов (Spectramax® Plus, MWG Biotech). Еще 50 мкл супернатанта переносили в другой микропланшет для проведения ПЦР, содержащих в каждой лунке по 50 мкл 0,1 М фосфатного буфера, рН 7,0. Микропланшет помещали в термоблок прибора для проведения ПЦР в микропланшетах (Techne 96, Techne) и инкубировали в течение 20 мин при определенной температуре (обычно 60-63°С). Затем микропланшет охлаждали в смеси воды и льда в течение 5 мин, при необходимости удаляли осадок центрифугированием и отбирали 50 мкл для определения остаточной активности (А20).To search for clones containing formate dehydrogenase with increased thermal stability, re-cultivation was carried out. For this, 50 μl of cell suspension was taken from the wells of the spare microplates and transferred to a new microplate containing 0.2 ml of 2YT medium, ampicillin at a concentration of 150 μg / ml and 0.1 mM IPTG in each well. Microplates with cells were incubated overnight at 37 ° C with constant stirring. After cultivation, cells in microplates were pelleted by centrifugation (1600 g, 15 min, 20 ° C), the culture fluid was removed from the wells and resuspended in 200 μl of lysis buffer No. 2 (0.1 M phosphate buffer, pH 8.0, egg lysozyme 0.1 mg / ml and Triton X-100, 0.1 volume%). Cell lysis was performed for 2 hours at 35 ° C with constant stirring. Cell debris was besieged using centrifugation (5000 g, 15 min, 20 ° C). 25 μl of the supernatant was transferred to a new microplate to measure the initial activity (A O ). To do this, another 175 μl of phosphate buffer, pH 7.0, containing 0.35 M sodium formate and 1.2 mg / ml NAD + was added to each well of the new microplate . The reaction was recorded at 30 ° C by increasing the absorbance by 340 nm on the analyzer microplates (Spectramax® Plus, MWG Biotech). Another 50 μl of the supernatant was transferred to another microplate for PCR, containing 50 μl of 0.1 M phosphate buffer in each well, pH 7.0. The microplate was placed in the fuser of the PCR device in microplates (Techne 96, Techne) and incubated for 20 min at a certain temperature (usually 60-63 ° C). Then the microplate was cooled in a mixture of water and ice for 5 min, if necessary, the precipitate was removed by centrifugation and 50 μl were taken to determine the residual activity (A 20 ).

Из клонов E.coli, экспрессирующих МусФДГ с повышенной термостабильностью, выделяли плазмидную ДНК, как описано выше, и затем ее секвенировали для того, чтобы определить мутации, ответственные за термостабильность фермента. Секвенирование ДНК проводили на автоматическом секвенаторе ДНК ABI PRISMTM модели 377 и реакционного набора для циклического секвенирования с терминаторами ABI PRISMTM BigDyeTM (Perkin Elmer Applied Biosystems), который основан на дидезокситерминационном методе [F.Sanger et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1977, 74, 5463-5467].Plasmid DNA was isolated from E. coli clones expressing MusFDH with enhanced thermal stability, as described above, and then sequenced to determine mutations responsible for the thermal stability of the enzyme. DNA sequencing was performed on an ABI PRISM Model 377 automated DNA sequencer and ABI PRISM BigDye terminator sequencing reaction kit (Perkin Elmer Applied Biosystems), which is based on the dideoxy termination method [F. Sanger et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1977, 74, 5463-5467].

В результате данной работы идентифицировали новый мутант МусФДГ Glu106Arg. Количественную оценку эффекта такой замены на термостабильность фермента проводили согласно процедуре, описанной в примере 5. Полученная мутантная формиатдегидрогеназа была на 18% более стабильна, чем фермент дикого типа (табл.2).As a result of this work, a new mutant MusFDG Glu106Arg was identified. The effect of such a substitution on the thermal stability of the enzyme was quantified according to the procedure described in Example 5. The resulting mutant formate dehydrogenase was 18% more stable than the wild-type enzyme (Table 2).

Пример 2.Example 2

Получение мутантной MorФДГ с заменой Glu106Arg с использованием направленного мутагенеза.Obtaining mutant MorPDH with the replacement of Glu106Arg using directed mutagenesis.

Направленный мутагенез проводили по методу Кункеля (Kunkel Т.А. Rapid and efficient site-derected mutagenesis without phenotypic selection. Proc. Natl. Acad. Sci. USA - 1985, v.82, p.488-492) с использованием уридиновой матрицы pMorFDH6 в одноцепочечной форме с использованием праймера MORE106R, несущего требуемую заменуDirected mutagenesis was carried out according to the Kunkel method (Kunkel T.A. Rapid and efficient site-rectified mutagenesis without phenotypic selection. Proc. Natl. Acad. Sci. USA - 1985, v. 82, p. 488-492) using the pMorFDH6 uridine matrix in single-chain form using the MORE106R primer carrying the desired replacement

5′-CGC-CTT-GGC-GAT GCG NCG GGC GGT CAG ATA GGC-3′5′-CGC-CTT-GGC-GAT GCG NCG GGC GGT CAG ATA GGC-3 ′

Жирным шрифтом выделен триплет, обеспечивающий мутацию Glu106Arg. Буква N означает, что в этом положении может быть любое из 4 оснований (А, Т, G или С).The triplet providing the Glu106Arg mutation is highlighted in bold. The letter N means that in this position there can be any of 4 bases (A, T, G or C).

Для получения плазмиды pMorFDH6 в одноцепочечной форме с заменой основания Т на U использовали специальную линию клеток E.coli RZ1023. Протрансформированные плазмидой pMorFDH6 клетки Е.coli RZ1023, инокулировали в 4 мл среды 2YT, содержащей 100 мкг/мл ампициллина и 5 мкг/мл уридина, и растили при 37°С в течение 8-10 часов при аэрировании. Далее клетки инфицировали фагом-помощником М13К07 (количество бляшкообразующих частиц КБЕ 109-1010) при множественности инфекции 10 и инкубировали при 37°С в течение 30 минут. Затем всю инкубированную смесь помещали в 20 мл среды 2YT (содержащей 100 мкг/мл ампициллина, 100 мкг/мл канамицина, 5 мкг/мл уридина и 10 мкг/мл тиамина) и растили при 37°С в течение 12 часов при сильном аэрировании. Клетки центрифугировали на центрифуге Eppendorff 5403 при 10000 об/мин в течение 15 минут. Надосадочную жидкость переносили в чистую центрифужную пробирку, добавляли 0,2 объема 20% раствора ПЭГ-6000 и 2,5 М NaCI, инкубировали при 0°С в течение 1 часа и центрифугировали при 10000 об/мин в течение 30 минут. Осадок фаговых частиц ресуспендировали в 400 мкл деионизованной воды и переносили раствор в чистую пробирку на 1,5 мл. Далее к нему добавляли 400 мкл смеси фенола с хлороформом (в соотношении 1:1), перемешивали и центрифугировали при 14000 об/мин в течение 15 минут. Отбирали верхнюю фазу и повторяли экстракцию смесью фенола с хлороформом еще раз. Затем к верхней фазе добавляли 400 мкл хлороформа, перемешивали и центрифугировали при 14000 об/мин в течение 15 минут. ДНК осаждали добавлением двойного объема изопропанола и центрифугировали при 14000 об/мин в течение 30 минут. Осадок промывали 1 мл охлажденного 70% этанола и центрифугировали в тех же условиях. ДНК высушивали на воздухе в течение 10-15 минут и растворяли в 30 мкл деионизованной воды.To obtain plasmid pMorFDH6 in single-stranded form with the substitution of base T for U, a special E. coli cell line RZ1023 was used. E. coli RZ1023 cells transformed with plasmid pMorFDH6 were inoculated in 4 ml of 2YT medium containing 100 μg / ml ampicillin and 5 μg / ml uridine, and grown at 37 ° C for 8-10 hours under aeration. Then the cells were infected with helper phage M13K07 (plaque-forming particles of CBE 10 9 -10 10 ) with a multiplicity of infection 10 and incubated at 37 ° C for 30 minutes. Then, the entire incubated mixture was placed in 20 ml of 2YT medium (containing 100 μg / ml ampicillin, 100 μg / ml kanamycin, 5 μg / ml uridine and 10 μg / ml thiamine) and grown at 37 ° C for 12 hours with strong aeration. Cells were centrifuged in an Eppendorff 5403 centrifuge at 10,000 rpm for 15 minutes. The supernatant was transferred to a clean centrifuge tube, 0.2 volumes of a 20% PEG-6000 solution and 2.5 M NaCI were added, incubated at 0 ° C for 1 hour and centrifuged at 10,000 rpm for 30 minutes. The phage particle pellet was resuspended in 400 μl of deionized water and the solution was transferred to a clean 1.5 ml tube. Then, 400 μl of a mixture of phenol with chloroform (in a 1: 1 ratio) was added to it, mixed and centrifuged at 14000 rpm for 15 minutes. The upper phase was taken and the extraction was repeated with a mixture of phenol and chloroform again. Then, 400 μl of chloroform was added to the upper phase, mixed and centrifuged at 14,000 rpm for 15 minutes. DNA was besieged by adding a double volume of isopropanol and centrifuged at 14,000 rpm for 30 minutes. The precipitate was washed with 1 ml of chilled 70% ethanol and centrifuged under the same conditions. DNA was dried in air for 10-15 minutes and dissolved in 30 μl of deionized water.

Для проведения реакции фосфорилирования к 25 пикомоль сухого праймера добавляли 2 мкл 10-кратного фосфорилирующего буфера (700 мМ Tris-HCl, 100 мМ MgCl2, pH 7,6), 2 мкл раствора АТФ (10 мМ), 2 мкл ДТТ (50 мМ), 2 мкл полинуклеотидкиназы фага Т4 (10 ед/мкл), 12 мкл деионизованной воды и инкубировали в течение 2 часов при температуре 37°С. Затем к 10 мкл раствора фосфорилированного праймера добавляли 2 мкл (0,025 пикомоль) уридиновой матрицы, 2 мкл 10-кратного буфера для отжига (200 мМ Tris-HCl, 100 мМ MgCl2, 500 мМ NaCl, pH 7,5) и 8 мкл деионизованной воды. Полученный раствор помещали в стакан с кипящей водой и оставляли на столе медленно охлаждаться до комнатной температуры. Для проведения реакции синтеза второй цепи ДНК в реакционную смесь добавляли 3 мкл 10-кратного буфера для синтеза (100 мМ Tris-HCl, 20 мМ ДТТ, по 5 каждого dNTP, 10 мМ АТФ), 1,5 мкл ДНК-полимеразы фага Т4 (10 ед/мкл), 1,5 мкл ДНК-лигазы фага Т4 (400 ед/мкл), 4 мкл деионизованной воды и инкубировали последовательно 5 минут при 0°С, 5 минут при комнатной температуре и 2-3 часа при 37°С.For the phosphorylation reaction, 2 μl of 10-fold phosphorylation buffer (700 mM Tris-HCl, 100 mM MgCl 2 , pH 7.6), 2 μl of ATP solution (10 mM), 2 μl of DTT (50 mM) were added to 25 picomoles of dry primer ), 2 μl of T4 phage polynucleotide kinase (10 u / μl), 12 μl of deionized water and incubated for 2 hours at 37 ° C. Then, 2 μl (0.025 picomoles) of uridine matrix, 2 μl of 10-fold annealing buffer (200 mm Tris-HCl, 100 mm MgCl 2 , 500 mm NaCl, pH 7.5) and 8 μl deionized were added to 10 μl of phosphorylated primer solution water. The resulting solution was placed in a glass of boiling water and left on the table to slowly cool to room temperature. To carry out the synthesis reaction of the second DNA strand, 3 μl of 10-fold synthesis buffer (100 mM Tris-HCl, 20 mM DTT, 5 of each dNTP, 10 mM ATP), 1.5 μl of T4 DNA polymerase were added to the reaction mixture ( 10 u / μl), 1.5 μl of T4 phage DNA ligase (400 u / μl), 4 μl of deionized water and incubated sequentially for 5 minutes at 0 ° C, 5 minutes at room temperature and 2-3 hours at 37 ° C .

Полученной в результате мутагенеза реакционной смесью трансформировали клетки Е.coli TG1, как это указано в примере 1. Выделение плазмид и их секвенирование также проводили аналогично примеру 1. Из 6 выделенных плазмид все 6 содержали только требуемую замену Glu106Arg. Количественное определение изменения термостабильности мутантной MorФДГ Glu106Arg проводили, как описано в примере 5. Мутантная MorФДГ Glu106Arg была на 11% более стабильна, чем фермент дикого типа (табл.2).The mutagenesis reaction mixture transformed E. coli TG1 cells, as described in Example 1. Plasmid isolation and sequencing were also carried out analogously to Example 1. Of the 6 selected plasmids, all 6 contained only the required Glu106Arg replacement. The change in the thermal stability of the mutant MorPDH Glu106Arg was quantified as described in Example 5. The mutant MorPDH Glu106Arg was 11% more stable than the wild-type enzyme (Table 2).

Пример 3.Example 3

Получение мутантной PseФДГ с заменой Glu106Arg с использованием направленного мутагенеза.Obtaining mutant PseFDG with replacement of Glu106Arg using directed mutagenesis.

Данный пример идентичен примеру 2 за исключением того, что в качестве матрицы для мутагенеза использовали плазмиду pPseFDH6 и праймерThis example is identical to example 2 except that the plasmid pPseFDH6 and primer were used as a matrix for mutagenesis

5′-GGC CTT GGC GAT GCG NCG GGG CGT CAG АТА G-3′5′-GGC CTT GGC GAT GCG NCG GGG CGT CAG ATA G-3 ′

Этот же праймер может быть использован для введения замены Glu106Arg в гене МусФДГ.The same primer can be used to introduce the Glu106Arg substitution in the MusPDH gene.

Количественное определение изменения термостабильности мутантной PSeФДГ Glu106Arg проводили, как описано в примере 5. Полученная мутантная PSeФДГ с заменой Glu106Arg была на 15% более стабильна, чем PseФДГ дикого типа (табл.2).The change in the thermal stability of the mutant PSeFDG Glu106Arg was quantitatively determined as described in Example 5. The resulting mutant PSeFDH with Glu106Arg substitution was 15% more stable than wild-type PseFDG (Table 2).

Пример 4.Example 4

Получение многоточечной мутантной PSeФДГ с заменами Ser(131, 160, 184, 228)Ala и Glu106Arg.Obtaining a multipoint mutant PSePDH with substitutions of Ser (131, 160, 184, 228) Ala and Glu106Arg.

Данный пример идентичен примеру 3 за исключением того, что замену Glu106Arg вводили в ген мутантной PSeФДГ, в котором по сравнению с геном PseФДГ дикого типа остатки Ser в положениях 131, 160, 184 и 228 заменены на остатки Ala. В качестве исходной матрицы использовали плазмиду pPseFDH6T4, получение которой описано в Rojkova, A.M., et al. Bacterial formate dehydrogenase. Increasing the enzyme thermal stability by hydrophobization of alpha helices. FEBS Letters - 1999, v.445, N1, p.183-188.This example is identical to Example 3 except that the replacement Glu106Arg was introduced into the mutant PSePDH gene, in which, compared to the wild-type PsePDG gene, Ser residues at positions 131, 160, 184 and 228 are replaced by Ala residues. Plasmid pPseFDH6T4, the preparation of which is described in Rojkova, A.M., et al., Was used as the initial matrix. Bacterial formate dehydrogenase. Increasing the enzyme thermal stability by hydrophobization of alpha helices. FEBS Letters - 1999, v.445, N1, p. 183-188.

Полученная мутантная PseФДГ с заменами Ser(131, 160, 184, 228)Ala и Glu106Arg была на 85% более стабильна, чем PseФДГ дикого типа (табл.2).The obtained mutant PseFDG with substitutions of Ser (131, 160, 184, 228) Ala and Glu106Arg was 85% more stable than wild-type PseFDG (Table 2).

Пример 5.Example 5

Точное определение эффекта стабилизации формиатдегидрогеназы за счет замены Glu106Arg.Accurate determination of the effect of stabilization of formate dehydrogenase by replacing Glu106Arg.

Для точной оценки эффекта стабилизации формиатдегидрогеназы за счет замены Glu106Arg мутантный фермент и формиатдегидрогеназу дикого типа выделяли в высокоочищенном состоянии и определяли константы скорости термоинактивации при определенной температуре (выше 54°С).To accurately evaluate the stabilization effect of formate dehydrogenase due to the replacement of Glu106Arg, the mutant enzyme and wild-type formate dehydrogenase were isolated in a highly purified state and the thermal inactivation rate constants were determined at a certain temperature (above 54 ° C).

Методика очистки абсолютно одинакова для всех приведенных выше рекомбинантных формиатдегидрогеназ и не зависит как от источника гена (Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp.101 или Moraxella sp.C-1), так и от типа фермента (мутантный или дикого типа). Биомассу клеток E.coli TG1, содержащую целевой фермент, получали культивированием единичной колонии в колбах объемом 1 л, содержащих 250 мл среды 2YT и 150 мкг/мл ампициллина при 37°С при непрерывном перемешивании (110 об/мин). По достижении поглощения среды на 600 нм величины А600 0,6-0,9 в колбы добавляли ИПТГ до концентрации 0,5 мМ и культивировали еще 12 часов. Клетки собирали центрифугированием (2500g, 15 мин, 4°С). Затем их ресуспендировали в 0,1 М фосфатном буфере, рН 7,0 для получения 20% суспензии (общий объем 10 мл). Для предварительного разрушения клетки подвергали замораживанию-размораживанию и далее обрабатывали ультразвуком в течение 5 мин при охлаждении льдом. Осадок удаляли центрифугированием (10000g, 30 мин, 4°С), а к супернатанту (объем 8 мл) добавляли при интенсивном перемешивании 6,4 мл 4М раствора сульфата аммония в 0,1 М фосфатном буфере, рН 7,0. Полученный раствор оставляли на ночь при 4°С, образующийся осадок удаляли центрифугированием (10000g, 30 мин, 4°С). Супернатант наносили на колонку 1×10 см с Фенилсефарозой Fast Flow (Pharmacia Biotech, Германия), уравновешенной 1,5 М раствором сульфата аммония в 0,1 М фосфатном буфере, рН 7,0. После нанесения фермента на колонку ее промывали 1,2 М раствором сульфата аммония в 0,1 М фосфатном буфере, рН 7,0 (раствор А) до нулевого поглощения на 280 нм выходящего из колонки раствора (70-100 мл). Фермент элюировали с колонки линейным нисходящим градиентом (50 мл раствора А - 50 мл 0,1 М фосфатного буфера, рН 7,0). Собирали фракции, содержащие мутантный фермент или формиатдегидрогеназу дикого типа, и концентрировали на мембране РМ10 в ячейке для концентрирования объемом 10 мл (мембрана и ячейка производства Amicon, США) до объема 1 мл. Полученный фермент наносили на колонку 1×100 см с Sephacryl S-200 (Pharmacia Biotech, Германия), уравновешенную 0,1 М фосфатным буфером, рН 7,0. Собирали фракции по 2 мл, определяли их поглощение на 280 нм A280 на спектрофотометре Shimadzu 1601 PC (Shimadzu GmBH, Германия) и измеряли величину ферментативной активности на 340 нм при 30°С на том же спектрофотометре (0,1 М фосфатный буфер, рН 7,0, 03 М формиат натрия, 1 мг/мл НАД+). Отбирали фракции, имеющие постоянное отношение (активность/А280). Чистота полученных препаратов составляет не менее 95% согласно данным аналитического электрофореза в 12% полиакриламидном геле в присутствии додецилсульфата натрия. Электрофорез проводили на приборе фирмы BioRad согласно инструкции фирмы-производителя.The purification procedure is exactly the same for all of the above recombinant formate dehydrogenases and does not depend on the source of the gene (Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp. 101 or Moraxella sp. C-1), or on the type of enzyme (mutant or wild type). The biomass of E. coli TG1 cells containing the target enzyme was obtained by culturing a single colony in 1 L flasks containing 250 ml of 2YT medium and 150 μg / ml ampicillin at 37 ° C with continuous stirring (110 rpm). Upon reaching the absorption of the medium at 600 nm, A 600 values of 0.6-0.9 were added to the flasks with IPTG to a concentration of 0.5 mM and cultured for another 12 hours. Cells were harvested by centrifugation (2500g, 15 min, 4 ° C). Then they were resuspended in 0.1 M phosphate buffer, pH 7.0 to obtain a 20% suspension (total volume 10 ml). For preliminary destruction, the cells were subjected to freezing-thawing and then treated with ultrasound for 5 min under ice cooling. The precipitate was removed by centrifugation (10000 g, 30 min, 4 ° C), and 6.4 ml of a 4 M solution of ammonium sulfate in 0.1 M phosphate buffer, pH 7.0, was added to the supernatant (volume 8 ml). The resulting solution was left overnight at 4 ° C, the resulting precipitate was removed by centrifugation (10000g, 30 min, 4 ° C). The supernatant was applied to a 1 × 10 cm column with Phenylsepharose Fast Flow (Pharmacia Biotech, Germany) balanced with a 1.5 M solution of ammonium sulfate in 0.1 M phosphate buffer, pH 7.0. After the enzyme was applied to the column, it was washed with a 1.2 M solution of ammonium sulfate in 0.1 M phosphate buffer, pH 7.0 (solution A) until the absorbance of solution leaving the column (70-100 ml) at 280 nm was zero. The enzyme was eluted from the column by a linear downward gradient (50 ml of solution A — 50 ml of 0.1 M phosphate buffer, pH 7.0). Fractions containing the mutant enzyme or wild-type formate dehydrogenase were collected and concentrated on a PM10 membrane in a 10 ml concentration cell (membrane and cell manufactured by Amicon, USA) to a volume of 1 ml. The obtained enzyme was applied to a 1 × 100 cm column with Sephacryl S-200 (Pharmacia Biotech, Germany), equilibrated with 0.1 M phosphate buffer, pH 7.0. 2 ml fractions were collected, their absorption at 280 nm A 280 was determined on a Shimadzu 1601 PC spectrophotometer (Shimadzu GmBH, Germany), and the enzymatic activity was measured at 340 nm at 30 ° C on the same spectrophotometer (0.1 M phosphate buffer, pH 7,0, 03 M sodium formate, 1 mg / ml NAD +). Fractions having a constant ratio (activity / A 280 ) were selected. The purity of the preparations obtained is at least 95% according to analytical electrophoresis in 12% polyacrylamide gel in the presence of sodium dodecyl sulfate. Electrophoresis was performed on a BioRad instrument according to the manufacturer's instructions.

Для определения константы скорости термоинактивации формиатдегидрогеназы дикого типа и мутантного фермента с заменой Glu106Arg для каждого типа фермента готовили серию из 12-15 пластиковых пробирок объемом 1,5 мл (Eppendorf, Германия), содержащих по 60 мкл раствора фермента в концентрации 0,2-1 мг/мл в 0,1 М фосфатном буфере, рН 7,0. Пробирки помещали в водяной термостат при определенной температуре (54-64°С, точность термостатирования ±0,1 град) и через заданные промежутки времени отбирали по 1 пробирке, охлаждали в холодной воде (0-10°С) в течение 5 мин, центрифугировали 3 мин при 10000g и определяли величину остаточной ферментативной активности А, как указано выше. Затем строили график зависимости натурального логарифма остаточной активности ln(А/А0) от времени и из тангенса угла наклона рассчитывают величину константы скорости инактивации kin. В качестве примера приведены зависимости для PSeФДГ дикого типа и его мутантной формы с заменой Glu106Arg. В таблице 2 приведены значения констант скоростей инактивации для всех изученных ФДГ.To determine the rate constant of the thermal inactivation of wild-type formate dehydrogenase and mutant enzyme with Glu106Arg replacement for each type of enzyme, a series of 12-15 plastic tubes with a volume of 1.5 ml (Eppendorf, Germany) containing 60 μl of the enzyme solution in a concentration of 0.2-1 mg / ml in 0.1 M phosphate buffer, pH 7.0. The tubes were placed in a water thermostat at a certain temperature (54-64 ° C, thermostat accuracy ± 0.1 deg) and 1 tube was taken at specified intervals, cooled in cold water (0-10 ° C) for 5 min, centrifuged 3 min at 10000g and the residual enzymatic activity A was determined as described above. Then, we plotted the dependence of the natural logarithm of the residual activity ln (A / A 0 ) on time and calculated the inactivation rate constant constant k in from the slope. As an example, the dependences for wild-type PSePDH and its mutant form with the replacement of Glu106Arg are given. Table 2 shows the values of the inactivation rate constants for all studied FDG.

Таблица 2.Table 2. Константы скорости инактивации мутантных формиатдегидрогеназ с заменой Glu106Arg и ферментов дикого типа при 60°С в 0,1 М фосфатном буфере, рН 7,0Inactivation rate constants of mutant formate dehydrogenases with replacement of Glu106Arg and wild-type enzymes at 60 ° C in 0.1 M phosphate buffer, pH 7.0 ФерментEnzyme Константа скорости инактивации, kin·106, c-1 Inactivation rate constant, k in · 10 6 , s -1 Эффект стабилизации, (kinmut/kinwt)·100, %The stabilization effect, (k in mut / k in wt ) · 100,% Формиатдегидрогеназа из Mycobacterium vaccae N10Formate dehydrogenase from Mycobacterium vaccae N10 МусФДГ дикого типаMusFDG wild-type 157±5,0157 ± 5.0 100%one hundred% МусФДГ Glu106ArgMusFDG Glu106Arg 133±5,0133 ± 5.0 118%118% Формиатдегидрогеназа из Moraxella sp.C-1Formate dehydrogenase from Moraxella sp.C-1 MorФДГ дикого типаMorFDG wild-type 326±6,0326 ± 6.0 100%one hundred% MorФДГ Glu106ArgMorFDG Glu106Arg 295±5,0295 ± 5.0 111%111% Формиатдегидрогеназа из Pseudomonas sp.101Formate dehydrogenase from Pseudomonas sp. 101 PseФДГ дикого типаPseFDG wild-type 35.5±0.535.5 ± 0.5 100%one hundred% PseФДГ Glu106ArgPseFDG Glu106Arg 31,0±1,031.0 ± 1.0 115%115% PseФДГ Ser(131, 160, 184, 228)Ala/Glul06ArgPseFDG Ser (131, 160, 184, 228) Ala / Glul06Arg 19,1±0.319.1 ± 0.3 185%185%

Полученная мутантная форма формиатдегидрогеназы обладает повышенной относительно исходной формы термостабильностью.The obtained mutant form of formate dehydrogenase has increased thermal stability relative to the initial form.

Claims (4)

1. Рекомбинантная термостабильная формиатдегидрогеназа, характеризующаяся аминокислотной последовательностью, которая соответствует аминокислотной последовательности формиатдегидрогеназы дикого типа, содержащей остаток глутаминовой кислоты в положении, соответствующем положению 106 в последовательности формиатдегидрогеназы Mycobacterium vaccae N10, в котором указанный остаток глутаминовой кислоты замещен остатком аргинина.1. A recombinant thermostable formate dehydrogenase characterized by an amino acid sequence that corresponds to the amino acid sequence of a wild-type formate dehydrogenase containing a glutamic acid residue at position 106 in the Mycobacterium vaccae N10 formate dehydrogenase sequence in which said glutamic acid residue is replaced by arginine residue. 2. Рекомбинантная формиатдегидрогеназа по п.1, отличающаяся тем, что последовательность указанной формиатдегидрогеназы дикого типа соответствует формиатдегидрогеназе Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp.101, Thiobacillus sp.KNK65MA, Ancylobacter aquaticus sp.KNK607M, Moraxella sp.C-1, Paracoccus denitrificans PD1222, Paracoccus sp.12-A, Hyphomicrobium sp.JC17, Sinorhizobium meliloti 1021.2. The recombinant formate dehydrogenase according to claim 1, characterized in that the sequence of said wild-type formate dehydrogenase corresponds to the formate dehydrogenase Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp. 101, Thiobacillus sp.KNK65MA, Ancylobacter aquaticus sp.KNx12Cnc60nc60cMcncfcnifica.nc60cnmcfcnifica , Paracoccus sp. 12-A, Hyphomicrobium sp. JC17, Sinorhizobium meliloti 1021. 3. Рекомбинантная формиатдегидрогеназа по п.2, отличающаяся тем, что последовательность формиатдегидрогеназы дикого типа является последовательностью фермента, получаемого из Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp.101 или Moraxella sp.C-1.3. The recombinant formate dehydrogenase according to claim 2, characterized in that the wild-type formate dehydrogenase sequence is an enzyme sequence obtained from Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp. 101 or Moraxella sp.C-1. 4. Рекомбинантная формиатдегидрогеназа по п.1, отличающаяся тем, что белок обладает, по меньшей мере, 80%-ной гомологией по отношению к формиатдегидрогеназе из Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp.101 или Moraxella sp.C-1 и содержит остаток глутаминовой кислоты в положении, соответствующем положению 106 в аминокислотной последовательности формиатдегидрогеназы из Mycobacterium vaccae N10.4. The recombinant formate dehydrogenase according to claim 1, characterized in that the protein has at least 80% homology with respect to formate dehydrogenase from Mycobacterium vaccae N10, Pseudomonas sp. 101 or Moraxella sp.C-1 and contains a glutamic acid residue at the position corresponding to position 106 in the amino acid sequence of formate dehydrogenase from Mycobacterium vaccae N10.
RU2006127139/13A 2006-07-27 2006-07-27 Recombinant thermostable formate dehydrogenase RU2312897C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006127139/13A RU2312897C1 (en) 2006-07-27 2006-07-27 Recombinant thermostable formate dehydrogenase

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006127139/13A RU2312897C1 (en) 2006-07-27 2006-07-27 Recombinant thermostable formate dehydrogenase

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2312897C1 true RU2312897C1 (en) 2007-12-20

Family

ID=38917193

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006127139/13A RU2312897C1 (en) 2006-07-27 2006-07-27 Recombinant thermostable formate dehydrogenase

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2312897C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2522819C2 (en) * 2012-10-05 2014-07-20 Общество с ограниченной ответственностью "Инновации и высокие технологии МГУ" Mutant formate dehydrogenase (versions)
RU2545966C1 (en) * 2013-10-08 2015-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "Инновации и высокие технологии МГУ" Mutant formate dehydrogenase (versions)
RU2557299C1 (en) * 2014-04-08 2015-07-20 Общество с ограниченной ответственностью "ПОМАЛЕКС" Mutant plant formate dehydrogenase (versions)

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GALKIN A. et al., Cloning of formate dehydrogenase gene from a methanol-utilizing bacterium Mycobacterium vaccae №10 Appl. Microbiol. Biotechnol. 44(3-4), 479-483 (1995), Найдено в Интернете по адресу http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/viewer.fcgi?db=protein&val=1477947 под регистрационным номером *
ОДИНЦЕВА Е.Р. и др. Роль остатков цистеина в стабильности бактериальной формиатдегидрогеназы. Вестник московского университета, сер.2, Химия, том 43, №6, 2002. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2522819C2 (en) * 2012-10-05 2014-07-20 Общество с ограниченной ответственностью "Инновации и высокие технологии МГУ" Mutant formate dehydrogenase (versions)
RU2545966C1 (en) * 2013-10-08 2015-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "Инновации и высокие технологии МГУ" Mutant formate dehydrogenase (versions)
RU2557299C1 (en) * 2014-04-08 2015-07-20 Общество с ограниченной ответственностью "ПОМАЛЕКС" Mutant plant formate dehydrogenase (versions)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111484987B (en) Heat-resistant DNA polymerase mutant with high amplification activity
NO322134B1 (en) Protein with luciferase activity, DNA, vector, cell, test kit and assay method.
WO2021093845A1 (en) Thermostable reverse transcriptase mutant and use thereof
JP2863738B2 (en) DNA encoding thermostable pyrophosphatase
US8183023B2 (en) Thermus egertssonii DNA polymerases
RU2312897C1 (en) Recombinant thermostable formate dehydrogenase
KR100777230B1 (en) Mutant dna polymerases and their genes from themococcus
JP2011051943A (en) Protein extraction reagent and method for screening polymerase therewith
WO2007117331A2 (en) Novel dna polymerase from thermoanaerobacter tengcongenesis
CN113755465A (en) Chimeric DNA polymerase and method for preparing same
EP3922718A1 (en) Heat-resistant dna polymerase mutant having high amplification activity
CN114480329A (en) High efficiency MMLV enzyme mutants
JP2010505410A (en) Mutant DNA polymerases and their genes
JP2001054387A (en) Improved rna polymerase
WO2023082266A1 (en) Chimeric dna polymerase and use thereof
EP1075525B1 (en) Dna polymerase from pyrobaculum islandicum
JP2009213499A (en) Improved rna polymerase
JP5789949B2 (en) Improved RNA polymerase variants
WO2007143436A2 (en) Dna polymerase from spirochaeta thermophila
JP2005065583A (en) ACYL CoA OXIDASE, GENE ENCODING THE SAME, RECOMBINANT DNA, AND METHOD FOR PRODUCING ACYL CoA OXIDASE
CN117568304A (en) Recombinant DNA polymerase for sequencing
JP2006223151A (en) Heat-resistant inositol-1-phosphate synthase and use thereof
JP6070180B2 (en) Enzyme screening method
JP2009213497A (en) Improved rna polymerase
CN114480330A (en) Reverse transcriptase mutant with multiple mutation sites

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120728