RU2545966C1 - Mutant formate dehydrogenase (versions) - Google Patents

Mutant formate dehydrogenase (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2545966C1
RU2545966C1 RU2013144862/10A RU2013144862A RU2545966C1 RU 2545966 C1 RU2545966 C1 RU 2545966C1 RU 2013144862/10 A RU2013144862/10 A RU 2013144862/10A RU 2013144862 A RU2013144862 A RU 2013144862A RU 2545966 C1 RU2545966 C1 RU 2545966C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
formate dehydrogenase
mutant
residue
formate
soyfdh
Prior art date
Application number
RU2013144862/10A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013144862A (en
Inventor
Владимир Иванович Тишков
Анастасия Александровна Алексеева
Святослав Сергеевич Савин
Лариса Ивановна Савина
Иван Сергеевич Каргов
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 RU2013144862/10A priority Critical patent/RU2545966C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2545966C1 publication Critical patent/RU2545966C1/en
Publication of RU2013144862A publication Critical patent/RU2013144862A/en

Links

Landscapes

  • Enzymes And Modification Thereof (AREA)
  • Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: biotechnologies.
SUBSTANCE: invention represents four new mutant shapes of plant formate dehydrogenase (FDG). In the first one of the proposed mutant proteins, natural residue of phenylalanine in a position corresponding to position 290 in a sequence of formate dehydrogenase from soya Glycine max has been replaced with alanine residue. In the second mutant shape of the ferment, the same natural residue of phenylalanine 290 has been replaced with tyrosine residue, in the third one with threonine residue and in the fourth one with glutamine residue.
EFFECT: invention allows obtaining formate dehydrogenases having improved properties in comparison to those both with a ferment of a wild type and a with its earlier described mutant shapes.
4 cl, 2 tbl, 5 ex

Description

Изобретение относится к области генной и белковой инженерии и может быть использовано в процессах синтеза оптически активных соединений или физиологически активных веществ, детекции формиата, а также для получения стрессоустойчивых растений.The invention relates to the field of genetic and protein engineering and can be used in the synthesis of optically active compounds or physiologically active substances, detection of formate, as well as to obtain stress-resistant plants.

Получены четыре новые мутантные формы растительной формиатдегидрогеназы (ФДГ), обладающие улучшенными свойствами по сравнению, как с ферментом дикого типа, так и с ранее описанными его мутантными формами. В первом из предложенных мутантных белков природный остаток фенилаланина в положении, соответствующем положению 290 в последовательности формиатдегидрогеназы из сои Glycine max, заменен на остаток аланина. Во второй мутантной форме фермента этот же природный остаток фенилаланина 290 заменен на остаток тирозина, в третьей - на остаток треонина и в четвертой - на остаток глутамина. Данные замены могут быть использованы в комбинации с другими мутациями, обеспечивающими приобретение формиатдегидрогеназами новых или улучшенных свойств.Four new mutant forms of plant formate dehydrogenase (FDH) were obtained, which have improved properties compared to both the wild-type enzyme and its previously described mutant forms. In the first of the proposed mutant proteins, the natural phenylalanine residue at the position corresponding to position 290 in the formate dehydrogenase sequence from soy Glycine max is replaced by an alanine residue. In the second mutant form of the enzyme, the same natural phenylalanine residue 290 is replaced by a tyrosine residue, in the third by a threonine residue and in the fourth by a glutamine residue. These substitutions can be used in combination with other mutations that provide formate dehydrogenases with new or improved properties.

Данное изобретение относится к новому белку, в частности, к мутантным формиатдегидрогеназам из растений, которые обладают улучшенными каталитическими свойствами по сравнению с соответствующим ферментом дикого типа, к ДНК, кодирующей мутантные формы формиатдегидрогеназы, к применению данных ферментов в системах синтеза оптически активных соединений или физиологически активных веществ, для детекции формиата, а также для получения стрессоустойчивых растений.This invention relates to a new protein, in particular, to mutant formate dehydrogenases from plants that have improved catalytic properties compared to the corresponding wild-type enzyme, to DNA encoding mutant forms of formate dehydrogenase, to the use of these enzymes in the synthesis of optically active compounds or physiologically active substances for the detection of formate, as well as for obtaining stress-resistant plants.

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

Figure 00000001
Figure 00000001

ФДГ обладает высокой специфичностью к формиату, поэтому этот фермент успешно применяют для определения формиата в сложных смесях.FDG is highly specific for formate; therefore, this enzyme is successfully used to determine formate in complex mixtures.

Реакция окисления формиат-иона является необратимой, продуктом является углекислый газ, который можно легко вывести из сферы реакции. Также ФДГ обладает широким pH-оптимумом активности. Поэтому формиатдегидрогеназа может быть эффективно использована для регенерации NADH 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 NADH на основе формиатдегидрогеназы из дрожжей Candida boidinii (Bommarius A.S., Schwarm M., Stingl K., Kottenhahn M., Huthmacher K. and Drauz K., Synthesis and Use of Enantiomerically Pure tert-Leucine, Tetrahedron Asymmetry, 1995, v.6, p.2851-2888). Также применяют способ, в котором процесс синтеза и регенерацию осуществляют непосредственно в бактериальной клетке. В одной из первых работ ген ФДГ из бактерий Mycobacterium vaccae N10 был экспрессирован в клетках E.coli совместно с одним из ферментов - или лейциндегидрогеназой, или аланиндегидрогеназой, или фенилаланиндегидрогеназой. Такие клетки E.coli были использованы для синтеза L-лейцина, L-валина, L-норлейцина, L-метионина, L-фенилаланина и L-тирозина с выходом более 80% и оптической чистотой до 100% (Galkin, A., Kulakova, L., Yoshimura, T., Soda, K., & Esaki, N. Synthesis of optically active amino acids from alpha-keto acids with Escherichia coli cells expressing heterologous genes. Appl. Environ. Microbiol., 1997, v.63, p.4651-4656). Недавно ген ФДГ из дрожжей Candida boidini был экспрессирован в Е.coli совместно с кеторедуктазой и такой биокатализатор был использован в процессах синтеза ксилитола из ксилозы и S-1-(2-хлорфенил) этанола из o-хлорацетофенона (Mädje K., Schmölzer K., Nidetzky В., Kratzer R. Host cell and expression engineering for development of an Е.coli ketoreductase catalyst: Enhancement of formate dehydrogenase activity for regeneration of NADH. Microb. Cell Fact. 2012, v.11, p.11-17). Одним из распространенных приемов для работы с ферментами является их иммобилизация на твердых носителях. Авторами (Demir A.S., Talpur F.N., Betui Sopaci S., Kohring G.W., Celik A. Selective oxidation and reduction reactions with cofactor regeneration mediated by galactitol-, lactate-, and formate dehydrogenases immobilized on magnetic nanoparticles. J BiotechnoL, 2011, v.10, p.176-183.) была проведена иммобилизация формиатдегидрогеназы из дрожжей Candida methylica, а также других ферментов на наночастицы с проведением синтеза S-1,2-пропандиола высокой степени оптической чистоты.The oxidation reaction of the formate ion is irreversible, the product is carbon dioxide, which can be easily removed from the reaction sphere. FDG also has a wide pH optimum of activity. Therefore, formate dehydrogenase can be effectively used 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 yeast Candida boidinii (Bommarius AS, Schwarm M., Stingl K., Kottenhahn M., Huthmacher K. and Huthmacher K. and Huthmacher K. and K., Synthesis and Use of Enantiomerically Pure tert-Leucine, Tetrahedron Asymmetry, 1995, v. 6, p. 2851-2888). A method is also used in which the synthesis process and regeneration are carried out directly in a bacterial cell. In one of the first studies, the FDH gene from Mycobacterium vaccae N10 bacteria was expressed in E. coli cells together with one of the enzymes, either leucine dehydrogenase, or alanine dehydrogenase, or phenylalanine dehydrogenase. Such E. coli cells were used for the synthesis of L-leucine, L-valine, L-norleucine, L-methionine, L-phenylalanine and L-tyrosine with a yield of more than 80% and optical purity up to 100% (Galkin, A., Kulakova , L., Yoshimura, T., Soda, K., & Esaki, N. Synthesis of optically active amino acids from alpha-keto acids with Escherichia coli cells expressing heterologous genes. Appl. Environ. Microbiol., 1997, v. 63 , p. 4651-4656). Recently, the FDH gene from Candida boidini yeast was expressed in E. coli together with ketoreductase and this biocatalyst was used in the synthesis of xylitol from xylose and S-1- (2-chlorophenyl) ethanol from o-chloroacetophenone (Mädje K., Schmölzer K. , Nidetzky B., Kratzer R. Host cell and expression engineering for development of an E. coli ketoreductase catalyst: Enhancement of formate dehydrogenase activity for regeneration of NADH. Microb. Cell Fact. 2012, v.11, p.11-17-17) . One of the common methods for working with enzymes is their immobilization on solid carriers. Authors (Demir AS, Talpur FN, Betui Sopaci S., Kohring GW, Celik A. Selective oxidation and reduction reactions with cofactor regeneration mediated by galactitol-, lactate-, and formate dehydrogenases immobilized on magnetic nanoparticles. J BiotechnoL, 2011, v. 10, p.176-183.) Immobilization of formate dehydrogenase from Candida methylica yeast, as well as other enzymes on nanoparticles, was carried out with the synthesis of high optical purity S-1,2-propanediol.

Формиатдегидрогеназа найдена в бактериях, дрожжах, микроскопических грибах, а также растениях. Впервые формиатдегидрогеназная активность в растениях была обнаружена в 1921 г. (Thunberg Т. Sur la presence de certains ferments oxydants dans les grains de Phaseolus vulgaris. Arch. Int. Physiol., 1921, v.18, pp.601-606). В растениях ФДГ - это фермент стресса, синтез которого резко возрастает при таких стрессовых воздействиях, как засуха, повышенная доза ультрафиолета, резкие скачки температуры, нехватка кислорода и т.п. (Hourton-Cabassa С., Ambard-Bretteville F., Moreau F., Davy de V., Remy R., and Francs-Small C.C. Stress Induction of Mitochondrial Formate Dehydrogenase in Potato Leaves. Plant Physiol, 1998, v.116, pp.627-635; Suzuki K., Itai R., Suzuki K., Nakanishi H., Nishizawa N.K., Yoshimura E., and Mori S. Formate dehydrogenase, an enzyme of anaerobic metabolism, is induced by iron deficiency in barley roots. Plant Physiol, 1998, v.116, pp.725-732; Thompson P., Bowsher C.G., and Tobin A.K. Heterogeneity of mitochondrial protein biogenesis during primary leaf development in barley. Plant Physiol, 1998, v.118, p.1089-1099; Andreadeli A., Flemetakis E., Axarli I., Dimou M., Udvardi M.K., Katinakis P., and Labrou N.E. Cloning and characterization of Lotus japonicus formate dehydrogenase: a possible correlation with hypoxia. Biochim. Biophys. Acta, 2009, v.1794, pp.976-984; David P., des Francs-Small C.C., Sevignac M., Thareau V., Macadre C., Langin Т., and Geffroy V. Three highly similar formate dehydrogenase genes located in the vicinity of the B4 resistance gene cluster are differentially expressed under biotic and abiotic stresses in Phaseolus vulgaris. Theor. Appl Genet., 2010, v.121, pp.87-103). Подробный обзор по физиологической роли, получению и свойствам ФДГ из растений был опубликован в 2011 году (Алексеева А.А., Савин C.C., Тишков В.И. NAD+-зависимая формиатдегидрогеназа растений. Acta Naturae, 2011, т.3, №4(11), с.40-56).Formate dehydrogenase is found in bacteria, yeast, microscopic fungi, and also plants. Formate dehydrogenase activity in plants was first discovered in 1921 (Thunberg T. Sur la presence de certains ferments oxydants dans les grains de Phaseolus vulgaris. Arch. Int. Physiol., 1921, v. 18, pp. 601-606). In plants, FDG is a stress enzyme, the synthesis of which increases dramatically under stressful effects such as drought, an increased dose of ultraviolet radiation, sudden temperature jumps, lack of oxygen, etc. (Hourton-Cabassa S., Ambard-Bretteville F., Moreau F., Davy de V., Remy R., and Francs-Small CC Stress Induction of Mitochondrial Formate Dehydrogenase in Potato Leaves. Plant Physiol, 1998, v. 116, pp. 627-635; Suzuki K., Itai R., Suzuki K., Nakanishi H., Nishizawa NK, Yoshimura E., and Mori S. Formate dehydrogenase, an enzyme of anaerobic metabolism, is induced by iron deficiency in barley roots Plant Physiol, 1998, v. 116, pp. 725-732; Thompson, P., Bowsher, CG, and Tobin, AK, Heterogeneity of mitochondrial protein biogenesis during primary leaf development in barley. Plant Physiol, 1998, v. 118, p. 1089 -1099; Andreadeli A., Flemetakis E., Axarli I., Dimou M., Udvardi MK, Katinakis P., and Labrou NE Cloning and characterization of Lotus japonicus formate dehydrogenase: a possible correlation with hypoxia. Biochim. Biophys. Acta, 2009, v.1794, pp. 976-984; David P., des Francs-Small CC, Sevignac M., Thareau V., Macadre C., Langin T., and Geffroy V. Three highly similar formate dehydrogenase genes located in the vicinity of the B4 resistance gene cluster are differentially expressed under biotic and abiotic stresses in Phaseolus vulgaris. Theor. Appl Genet., 2010, v. 121, pp. 87-103). A detailed review of the physiological role, production and properties of FDG from plants was published in 2011 (Alekseeva A.A., Savin CC, Tishkov V.I. NAD + -dependent formate dehydrogenase of plants. Acta Naturae, 2011, v. 3, No. 4 (11), pp. 40-56).

Многие из генов, кодирующих данные ферменты, были клонированы и секвенированы, поэтому их можно получать с использованием технологии рекомбинантных ДНК. Последовательность кДНК, кодирующую формиатдегидрогеназу, встраивают в генно-инженерный вектор (плазмида, фаг и т.д.), который используют для трансформации микроорганизмов, например, бактерий E.coli. Полученный рекомбинантный штамм используют для экспрессии желаемого ферментного продукта.Many of the genes encoding these enzymes were cloned and sequenced, so they can be obtained using recombinant DNA technology. The cDNA sequence encoding formate dehydrogenase is inserted into a genetic engineering vector (plasmid, phage, etc.), which is used to transform microorganisms, for example, E. coli bacteria. The resulting recombinant strain is used to express the desired enzyme product.

Для растительных формиатдегидрогеназ характерны низкие значения констант Михаэлиса по сравнению с ферментами из других источников. Одной из наиболее перспективных для практического применения формиатдегидрогеназ из растений является формиатдегидрогеназа из сои Glycine max (SoyFDH). Этот фермент был получен в активной и растворимой форме (Садыхов Э.Г., Серов А.Е., Ясный И.Е., Воинова Н.С., Алексеева А.А., Петров А.С., Тишков В.И. NAD+-зависимые формиатдегидрогеназы из Arabidopsis thaliana и сои: экспрессия в клетках E.coli и кинетические свойства рекомбинантных ферментов. Вестн. Моск. Ун-та. Сер.2. Химия, 2006, т.47, N1, с.31-34), и он имеет самые низкие значения констант Михаэлиса по сравнению со всеми изученными формиатдегидрогеназами на настоящий момент (Алексеева А.А., Савин С.С., Тишков В.И. NAD+-зависимая формиатдегидрогеназа растений. Acta Naturae, 2011, т.3, №4(11), с.40-56).Plant formate dehydrogenases are characterized by low Michaelis constants compared to enzymes from other sources. One of the most promising for practical use of formate dehydrogenases from plants is formate dehydrogenase from soy Glycine max (SoyFDH). This enzyme was obtained in active and soluble form (Sadykhov E.G., Serov A.E., Yasny I.E., Voinova N.S., Alekseeva A.A., Petrov A.S., Tishkov V.I. NAD + -dependent formate dehydrogenases from Arabidopsis thaliana and soybean: expression in E. coli cells and kinetic properties of recombinant enzymes.Vestnik Mosk. Univ. Ser.2 Chemistry, 2006, v. 47, N1, p.31- 34), and it has the lowest values of Michaelis constants compared to all studied formate dehydrogenases at the moment (Alekseeva A.A., Savin S.S., Tishkov V.I. NAD + -dependent formate dehydrogenase plants. Acta Naturae, 2011, t.3, No. 4 (11), pp. 40-56).

Основными недостатками известных природных и рекомбинантных формиатдегидрогеназ из растений дикого типа являюся низкая термостабильность и невысокое значение каталитической константы kcat этих ферментов, что обуславливает и невысокую каталитическую эффективность (отношение каталитической константы к константе Михаэлиса, kcatМ). Таким образом, для успешного применения формиатдегидрогеназы из сои на практике необходимо повысить каталитическую эффективность этого фермента. Одним из подходов для решения поставленной задачи является мутагенез аминокислотных остатков целевого белка.The main disadvantages of the known natural and recombinant formate dehydrogenases from wild-type plants are the low thermal stability and low value of the catalytic constant k cat of these enzymes, which also leads to low catalytic efficiency (the ratio of the catalytic constant to Michaelis constant, k cat / K M ). Thus, for the successful use of soy formate dehydrogenase in practice, it is necessary to increase the catalytic efficiency of this enzyme. One approach to solving this problem is the mutagenesis of the amino acid residues of the target protein.

Для бактериальных и дрожжевых формиатдегидрогеназ в литературе описано много примеров успешного улучшения температурной и химической стабильности с помощью методов белковой инженерии. Анализ таких работ подробно рассмотрен в обзорах Tishkov V.I. and Popov V.O. Protein engineering of formate dehydrogenase. Biomol. Eng, 2006, v.23, p.89-110 и Алексеева А.А., Савин С.С., Тишков В.И. NAD+-зависимая формиатдегидрогеназа растений. Acta Naturae, 2011, т.3, №4(11), с.40-56. Эксперименты по повышению термостабильности рекомбинантной ФДГ из сои описаны в работах (Алексеева А.А., Савин С.С., Клейменов С.Ю., Упоров И.В., Пометун Е.В., Тишков В.И. Стабилизация рекомбинантной формиатдегидрогеназы из сои Glycine max методом рационального дизайна. Биохимия, 2012, т.77, №10, с.1443-1456) и (Alekseeva А.А., Serenko А.А., Kargov I.S., Savin S.S., Kleymenov S.Yu., and Tishkov V.I. Engineering catalytic properties and thermal stability of plant formate dehydrogenase by single-point mutations. Protein Eng. Des. SeL, 2012, v.25, №11, p.781-788).For bacterial and yeast formate dehydrogenases, the literature describes many examples of successful improvements in temperature and chemical stability using protein engineering methods. An analysis of such works is discussed in detail in the reviews of Tishkov VI and Popov VO Protein engineering of formate dehydrogenase. Biomol. Eng, 2006, v.23, p. 89-110 and Alekseeva A.A., Savin S.S., Tishkov V.I. NAD + -dependent plant formate dehydrogenase. Acta Naturae, 2011, vol. 3, No. 4 (11), pp. 40-56. Experiments to increase the thermal stability of recombinant FDG from soybeans are described in (Alekseeva A.A., Savin S.S., Kleimenov S.Yu., Uporov I.V., Pometun E.V., Tishkov V.I. Stabilization of recombinant formate dehydrogenase from soy Glycine max by the method of rational design. Biochemistry, 2012, vol. 77, No. 10, p. 1443-1456) and (Alekseeva A.A., Serenko A.A., Kargov IS, Savin SS, Kleymenov S.Yu. , and Tishkov VI Engineering catalytic properties and thermal stability of plant formate dehydrogenase by single-point mutations (Protein Eng. Des. SeL, 2012, v.25, No. 11, p. 781-788).

В то же время успешных примеров улучшения каталитической эффективности формиатдегидрогеназ совсем немного. Известны мутантная PseFDH GAV, у которой КМ по NAD+ улучшена до 35 мкМ по сравнению с 65 мкМ у PseFDH дикого типа (Tishkov V.I. and Popov V.O. Biomol. Eng, 2006, v.23, p.89-110). В случае мутанта PseFDH SM4 (Alekseeva А.А. et al. Protein Eng. Des. Sel., 2012, v.25, №11, p.781-788) КМ no NAD+ равна 41 мкМ, а КМ по формиату - 3,2 мМ (6,5 мМ у фермента дикого типа). Величина каталитической константы у этих мутантов такая же, что и у PseFDH дикого типа. В диссертации (Felber, S. Optimierung der NAD-abhuengigen Formiatdehydrogenase aus Candida boidinii fuer den Einsatz in der Biokatalyse. Ph.D. dissertation. 1-176. 2001. Heinrich-Heine University of Duesseldorf. URL: http://diss.ub.uniduesseldorf.de/ebib/diss/file?dissid=78. 2001) описана мутантная ФДГ из дрожжей C.boidnii, у которой за счет замены Phe285Ser каталитическая константа возросла с 3,7 до 6,1 с-1, однако при этом ухудшились (возросли) константы Михаэлиса по NAD+ и формиату с 45 до 73 мкМ и с 5,9 до 14 мм соответственно. В результате каталитическая эффективность у мутантного фермента по формиату снизилась с 0,63 до 0,44 мМ-1 с-1, а по коферменту NAD+ каталитическая эффективность не изменилась.At the same time, there are very few successful examples of improving the catalytic efficiency of formate dehydrogenases. Known mutant PseFDH GAV, in which K M for NAD + is improved to 35 uM compared to 65 uM at PseFDH wildtype (Tishkov VI and Popov VO Biomol. Eng, 2006, v.23, p.89-110). In the case of mutant PseFDH SM4 (Alekseeva AA et al. Protein Eng. Des. Sel., 2012, v.25, №11, p.781-788) KM no NAD + is 41 uM, and K M for formate - 3.2 mm (6.5 mm in the wild-type enzyme). The magnitude of the catalytic constant of these mutants is the same as that of wild-type PseFDH. In the dissertation (Felber, S. Optimierung der NAD-abhuengigen Formiatdehydrogenase aus Candida boidinii fuer den Einsatz in der Biokatalyse. Ph.D. dissertation. 1-176. 2001. Heinrich-Heine University of Duesseldorf. URL: http: // diss. ub.uniduesseldorf.de/ebib/diss/file?dissid=78. 2001) describes a mutant FDG from C. boidnii yeast, in which, due to the replacement of Phe285Ser, the catalytic constant increased from 3.7 to 6.1 s -1 , however, when this deteriorated (increased) Michaelis constants for NAD + and formate from 45 to 73 μM and from 5.9 to 14 mm, respectively. As a result, the catalytic efficiency of the mutant enzyme in formate decreased from 0.63 to 0.44 mM- 1 s -1 , and the catalytic efficiency in NAD + was not changed.

В случае рекомбинантной ФДГ из сои описаны мутанты с заменами Leu24Asp, Val127Arg и Ala267Met (Алексеева А.А. и соавт. Биохимия, 2012, т.77, с.1443-1456) и Phe290Asp и Phe290Ser (Alekseeva А.А. et al. Protein Eng. Des. Sel., 2012, v.25, №11, p.781-788), у которых была повышена каталитическая константа с 2,9 с-1 до 3,2-5,1 с-1, однако эти замены сопровождались ухудшением константы Михаэлиса по формиату. В результате каталитическая эффективность по формиату у этих мутантов (за исключением замены Ala267Met) стала даже хуже, чем у исходного фермента. В случае замены Ala267Met каталитическая эффективность по формиату возросла на 23% - до 2,38 по сравнению с 1,93 мМ-1 с-1 у ФДГ сои дикого типа.In the case of recombinant FDG from soy, mutants with the substitutions Leu24Asp, Val127Arg and Ala267Met (Alekseeva A.A. et al. Biochemistry, 2012, v.77, p.1443-1456) and Phe290Asp and Phe290Ser (Alekseeva A.A. et al. Protein Eng. Des. Sel., 2012, v.25, No. 11, p. 781-788), in which the catalytic constant was increased from 2.9 s -1 to 3.2-5.1 s -1 , however, these replacements were accompanied by a deterioration of the Michaelis constant in formate. As a result, the catalytic efficiency in formate of these mutants (except for the replacement of Ala267Met) became even worse than that of the starting enzyme. In the case of replacing Ala267Met, the catalytic efficiency in formate increased by 23% to 2.38 compared with 1.93 mM -1 s -1 in FDG of wild-type soybean.

Техническая задача, решаемая посредством предлагаемого технического решения, состоит в получении мутантных форм формиатдегидрогеназы из сои Glycine max с улучшенными каталитическими свойствами по сравнению с ферментом дикого типа и известных его мутантов.The technical problem solved by the proposed technical solution is to obtain mutant forms of formate dehydrogenase from soy Glycine max with improved catalytic properties compared to the wild-type enzyme and its known mutants.

Технический результат, получаемый при реализации предлагаемого технического решения, состоит в улучшении каталитических свойств полученных новых мутантных форм формиатдегидрогеназы из сои Glycine max по отношению к свойствам фермента дикого типа и известных его мутантов.The technical result obtained by the implementation of the proposed technical solution consists in improving the catalytic properties of the obtained new mutant forms of formate dehydrogenase from soy Glycine max in relation to the properties of the wild-type enzyme and its known mutants.

Для достижения указанного технического результата, предложено использовать рекомбинантную растительную формиатдегидрогеназу, в которой в качестве основы использована аминокислотная последовательность формиатдегидрогеназы из сои Glycine max дикого типа. Полная последовательность кДНК этого фермента (код доступа в базе GeneBank BT094321.1), содержит в начале нуклеотидную последовательность, кодирующую сигнальный пептид, необходимый для транспорта белка-предшественника формиатдегидрогеназы из цитоплазмы в митохондрии клеток растений. После попадания про-белка внутрь митохондрии этот пептид отщепляется с образованием активной формиатдегидрогеназы. В связи с отсутствием в бактериях митохондрии, вышеописанная посттрансляционная модификация белка-предшественника формиатдегидрогеназы невозможна. Поэтому для экспрессии в клетках E.coli из последовательности кДНК формиатдегидрогеназы сои была удалена последовательность, кодирующая сигнальный пептид (31 аминокислотный остаток). В результате синтезируется активный рекомбинантный фермент дикого типа без дополнительной стадии посттрансляционной модификации (Алексеева А.А., Савин С.С., Тишков В.И. NAD+-зависимая формиатдегидрогеназа растений. Acta Naturae, 2011, т.3, №4(11), с.40-56).To achieve the indicated technical result, it was proposed to use a recombinant plant formate dehydrogenase, in which the amino acid sequence of wild-type formate dehydrogenase from soy Glycine max was used as the basis. The complete cDNA sequence of this enzyme (access code in the GeneBank BT094321.1 database) contains at the beginning a nucleotide sequence encoding a signal peptide necessary for the transport of formate dehydrogenase precursor protein from the cytoplasm to mitochondria of plant cells. After the pro-protein enters the mitochondria, this peptide is cleaved to form active formate dehydrogenase. Due to the lack of mitochondria in bacteria, the above post-translational modification of the formate dehydrogenase precursor protein is not possible. Therefore, for expression in E. coli cells, a sequence encoding a signal peptide (31 amino acid residues) was deleted from the soybean formate dehydrogenase cDNA sequence. As a result, the wild-type active recombinant enzyme is synthesized without an additional stage of post-translational modification (Alekseeva A.A., Savin S.S., Tishkov V.I. NAD + -dependent plant formate dehydrogenase. Acta Naturae, 2011, v. 3, No. 4 ( 11), pp. 40-56).

В дальнейшем получение и преимущества полученной мутантной формиатдегидрогеназы будут рассмотрены с использованием примеров получения и реализации этого фермента.In the future, the preparation and advantages of the obtained mutant formate dehydrogenase will be examined using examples of the preparation and sale of this enzyme.

Пример 1.Example 1

Получение мутантной формиатдегидрогеназы, в которой остаток Phe290 заменен на остаток Ala.Obtaining a mutant formate dehydrogenase in which the Phe290 residue is replaced by the Ala residue.

Направленный мутагенез проводили с использованием полимеразной цепной реакции (ПЦР). В качестве матрицы для проведения направленного мутагенеза использовали плазмиду pSoyFDH. Плазмида pSoyFDH получена из коммерчески доступной плазмиды pET21a (Novagen, США), в которую по сайтам рестрикции NdeI и EcoRI встроена кДНК формиатдегидрогеназы сои Glycine max без участка, кодирующего сигнальный пептид.Directed mutagenesis was performed using polymerase chain reaction (PCR). Plasmid pSoyFDH was used as a matrix for targeted mutagenesis. The plasmid pSoyFDH was obtained from the commercially available plasmid pET21a (Novagen, USA), into which Glycine max soy formate dehydrogenase cDNA was inserted without restriction sites encoding a signal peptide at the NdeI and EcoRI restriction sites.

Для введения мутации Phe290Ala в ген формиатдегидрогеназы с использованием ПЦР применяли универсальные праймеры T7for и T7rev:To introduce the Phe290Ala mutation into the formate dehydrogenase gene using PCR, universal T7for and T7rev primers were used:

T7ForT7For 5′-TAATACGACTCACTATAGGG-3′5′-TAATACGACTCACTATAGGG-3 ′ T7revT7rev 5′-GCTAGTTATTGCTCAGCGG-3′,5′-GCTAGTTATTGCTCAGCGG-3 ′,

а также прямой и обратный праймеры, несущие требуемую замену в триплете, кодирующем в гене soyfdh остаток Ala в положении 290:as well as direct and reverse primers carrying the required substitution in a triplet encoding in the soyfdh gene the Ala residue at position 290:

SoyF290AforSoyF290Afor 5′-GATGTTTGG GCC CCACAGCCAGCTCCAA-3′5′-GATGTTTGG GCC CCACAGCCAGCTCCAA-3 ′ SoyF290ArevSoyF290Arev 5′-GCTGTGG GGC CCAAACATCACCACTATAACCT-3′5′-GCTGTGG GGC CCAAACATCACCACTATAACCT-3 ′

Полужирным шрифтом с подчеркиванием выделены нуклеотидные замены, обеспечивающие мутацию Phe290Ala.Nucleotide substitutions for the Phe290Ala mutation are underlined in bold with underline.

Реакцию ПЦР проводили в тонкостенной пластиковой пробирке объемом 0,5 мл («SSI», США). Для предотвращения испарения реакционной смеси и ее конденсации на крышке в пробирку добавляли 30 мкл минерального масла. Пробирку прогревали 5 мин при 95°C и затем проводили реакцию ПЦР по следующей программе: 1-я стадия - 95°C, 60 с; 2-я стадия - 56°C, 60 с и 3-я стадия - 72°C, 2 мин, всего 25-35 циклов. После этого реакционную смесь выдерживали еще 10 мин при 72°C. Температуру на второй стадии выбирали на 3-5° ниже Tm температуры плавления дуплексов, образуемых праймерами.The PCR reaction was carried out in a 0.5 ml thin-walled plastic tube (SSI, USA). To prevent evaporation of the reaction mixture and its condensation on the lid, 30 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 carried out according to the following program: 1st stage - 95 ° C, 60 s; Stage 2 - 56 ° C, 60 s and Stage 3 - 72 ° C, 2 min, 25-35 cycles in total. After that, the reaction mixture was kept for another 10 min at 72 ° C. The temperature in the second stage was chosen 3-5 ° below T m the melting point of the duplexes formed by the primers.

Реакционная смесь для проведения ПЦР имела следующий состав (таблица 1):The reaction mixture for PCR had the following composition (table 1):

Таблица 1.Table 1. Условия проведения полимеразной цепной реакции (ПНР).The conditions for the polymerase chain reaction (NDP). Количествоamount КомпонентComponent 2,5 мкл2.5 μl 10-кратный буфер для PFU Turbo ДНК-полимеразы (Fermentas, Литва)10x PFU Turbo DNA Polymerase Buffer (Fermentas, Lithuania) 2 мкл2 μl смесь dNTP (dATP, dGTP, dTTP, dCTP), концентрация 2,5 мМdNTP mixture (dATP, dGTP, dTTP, dCTP), concentration 2.5 mM 1 мкл1 μl ДНК-матрица, концентрация ~10 нг/мклDNA matrix, concentration ~ 10 ng / μl 2 мкл2 μl праймер 1, концентрация 10 нмоль/мл (Синтол, Россия)primer 1, concentration 10 nmol / ml (Synthol, Russia) 2 мкл2 μl праймер 2, концентрация 10 нмоль/мл (Синтол, Россия)primer 2, concentration of 10 nmol / ml (Synthol, Russia) 0,5 мкл0.5 μl PFU Turbo ДНК-полимераза (2,5 Ед/мкл) (Fermentas, Литва)PFU Turbo DNA Polymerase (2.5 U / μl) (Fermentas, Lithuania) до 25 мклup to 25 μl деионизованная вода, очищенная с использованием системы MilliQ (Millipore, США)deionized water purified using the MilliQ system (Millipore, USA)

На первом этапе проводили две полимеразные цепные реакции с использованием следующих пар праймеров: 1) T7For+SoyF290Arev и 2) SoyF290Afor+T7Rev. В качестве матрицы использовали плазмиду pSoyFDH. Полученные продукты ПЦР, фрагмент 1 и фрагмент 2, очищали с использованием препаративного электрофореза в агарозном геле с применением предназначенных для этого наборов, например, GeneJet Gel Extraction Kit (Fermentas, Литва). Затем проводили третью, объединяющую ПЦР с праймерами T7For и T7Rev, где в качестве ДНК-матрицы использовали полученные ранее фрагменты 1 и 2.At the first stage, two polymerase chain reactions were carried out using the following primer pairs: 1) T7For + SoyF290Arev and 2) SoyF290Afor + T7Rev. Plasmid pSoyFDH was used as a matrix. The resulting PCR products, fragment 1 and fragment 2, were purified using preparative agarose gel electrophoresis using the appropriate kits for this, for example, GeneJet Gel Extraction Kit (Fermentas, Lithuania). Then, a third PCR combination was performed with T7For and T7Rev primers, where previously obtained fragments 1 and 2 were used as the DNA template.

Продукт третьей ПЦР очищали аналогично фрагментам 1 и 2 и обрабатывали эндонуклеазами рестрикции KpnI и EcoRI в течение двух часов при 37°C, затем инкубировали рестрикционную смесь для инактивации рестриктаз в течение 20 минут при 65°C (использовали рестриктазы и буферные растворы фирмы Fermentas (Литва)). Затем полученные фрагменты ДНК очищали от коротких фрагментов препаративным электрофорезом в агарозном геле с последующей экстракцией нужной полосы из агарозы с использованием соответствующего набора, например, GeneJet Gel Extraction Kit (Fermentas, Литва) и лигировали с фрагментом исходной плазмиды pSoyFDH, из которой расщеплением по тем же сайтам рестрикции KpnI и EcoRI был удален фрагмент гена soyfdh из G.max дикого типа.The third PCR product was purified similarly to fragments 1 and 2 and was treated with restriction endonucleases KpnI and EcoRI for two hours at 37 ° C, then the restriction mixture was inactivated to inactivate restriction enzymes for 20 minutes at 65 ° C (used restriction enzymes and buffer solutions from Fermentas (Lithuania )). Then, the obtained DNA fragments were purified from short fragments by preparative agarose gel electrophoresis followed by extraction of the desired strip from agarose using an appropriate kit, for example, GeneJet Gel Extraction Kit (Fermentas, Lithuania) and ligated with a fragment of the original plasmid pSoyFDH, from which it was digested according to the same the KpnI and EcoRI restriction sites removed the soyfdh gene fragment from wild-type G. max.

Полученной после лигирования реакционной смесью трансформировали клетки Е.coli TG1 (генотип supE hsdΔ5 thi Δ(lac-proAB) F′[traD36 proAB+ lacIq lacZΔM15]) и выращивали в течение ночи при 37°C на твердой агаризованной среде LB, содержащей ампициллин в концентрации 100 мкг/мл (плазмида pSoyFDH содержит ген устойчивости к ампициллину).After ligation with the reaction mixture, E. coli TG1 cells (genotype supE hsdΔ5 thi Δ (lac-proAB) F ′ [traD36 proAB + lacI q lacZΔM15]) were transformed and grown overnight at 37 ° C on solid agarized LB medium containing ampicillin at a concentration of 100 μg / ml (plasmid pSoyFDH contains the gene for resistance to ampicillin).

Выросшие колонии инокулировали в 6-8 мл среды 2YT, содержащей 150 мкг/мл ампициллина, и растили при 37°C в течение 8-10 часов при аэрировании. Плазмидную ДНК выделяли из полученной культуры клеток с использованием предназначенного для этого набора, например, GeneJet Plasmid Miniprep Kit (Fermentas, Литва). Для контроля введения требуемых мутаций проводили секвенирование гена мутантной SoyFDH Phe290Ala в выделенных плазмидах. В результате у 5 выделенных плазмид во всех случаях в гене мутантного фермента были идентифицированы только те мутации, которые обеспечивали замену Phe290Ala. Таким образом, была получена плазмида pSoyFDH_F290A, которая обеспечивала получение новой формиатдегидрогеназы SoyFDH Phe290Ala с заменой Phe290Ala.The grown colonies were inoculated in 6-8 ml of 2YT medium containing 150 μg / ml ampicillin and grown at 37 ° C for 8-10 hours with aeration. Plasmid DNA was isolated from the obtained cell culture using the kit intended for this, for example, GeneJet Plasmid Miniprep Kit (Fermentas, Lithuania). To control the introduction of the required mutations, the mutant SoyFDH Phe290Ala gene was sequenced in the isolated plasmids. As a result, in 5 isolated plasmids, in all cases, only those mutations that provided the replacement of Phe290Ala were identified in the mutant enzyme gene. Thus, the plasmid pSoyFDH_F290A was obtained, which provided the production of the new formate dehydrogenase SoyFDH Phe290Ala with the replacement of Phe290Ala.

Для получения мутантного фермента клетки E.coli BL21 (DE3) pLysS Codon Plus (генотип Е.coli В F- ompT hsdS(rB- mB-) dcm+ Tetr gal λ(DE3)pLysS endA Hte [argU proL Camr) трансформировали плазмидой pSoyFDH_F290A, высевали на чашки Петри с агаризованной средой, содержащей ампициллин (100 мкг/мл) и хлорамфеникол (25 мкг/мл) и проводили их культивирование (см. ниже).To obtain a mutant enzyme, E. coli BL21 (DE3) pLysS Codon Plus cells (E. coli genotype B F - ompT hsdS (rB - mB - ) dcm + Tet r gal λ (DE3) pLysS endA Hte [argU proL Cam r ) were transformed plasmid pSoyFDH_F290A was plated on Petri dishes with agar medium containing ampicillin (100 μg / ml) and chloramphenicol (25 μg / ml) and cultured (see below).

Пример 2.Example 2

Получение мутантной растительной формиатдегидрогеназы, в которой остаток Phe290 заменен на остаток Tyr.Obtaining a mutant plant formate dehydrogenase in which the Phe290 residue is replaced by the Tyr residue.

Данный пример идентичен примеру 1 за исключением того, что в качестве прямого и обратного праймеров, обеспечивающих введение замены Phe290Tyr, использовали следующие дезоксирибоолигонуклеотиды:This example is identical to example 1 except that the following deoxyribo oligonucleotides were used as the forward and reverse primers to allow the introduction of the Phe290Tyr substitution:

Soy_F290YforSoy_F290Yfor 5′-GATGTTTGG TAT CCACAGCCAGCTCCAAAG-3′5′-GATGTTTGG TAT CCACAGCCAGCTCCAAAG-3 ′ Soy_F290YrevSoy_F290Yrev 5′-GGCTGTGG ATA CCAAACATCACCACTATAACCT-3′5′-GGCTGTGG ATA CCAAACATCACCACTATAACCT-3 ′

Полужирным шрифтом с подчеркиванием выделены нуклеотидные замены, обеспечивающие мутацию Phe290Tyr.Nucleotide substitutions for the Phe290Tyr mutation are underlined in bold.

Плазмида pSoyFDH с нуклеотидными заменами, обеспечивающими в гене фермента мутацию Phe290Tyr, получила название pSoyFDH_F290Y.Plasmid pSoyFDH with nucleotide substitutions that provide the Phe290Tyr mutation in the enzyme gene is called pSoyFDH_F290Y.

Для получения мутантного фермента клетки E.coli BL21 (DE3) pLysS Codon Plus (генотип Е.coli В F- ompT hsdS(rB- mB-) dcm+ Tetr gal λ(DE3)pLysS endA Hte [argU proL Camr]) трансформировали плазмидой pSoyFDH_F290Y, высевали на чашки Петри с агаризованной средой, содержащей ампициллин (100 мкг/мл) и хлорамфеникол (25 мкг/мл) и проводили их культивирование (см. ниже).For mutant enzyme E.coli BL21 cells (DE3) pLysS Codon Plus (genotype E. coli B F - ompT hsdS (rB - mB -) dcm + Tet r gal λ (DE3) pLysS endA Hte [argU proL Cam r]) transformed with plasmid pSoyFDH_F290Y, plated on Petri dishes with agar medium containing ampicillin (100 μg / ml) and chloramphenicol (25 μg / ml) and cultured (see below).

Пример 3.Example 3

Получение мутантной растительной формиатдегидрогеназы, в которой остаток Phe290 заменен на остаток Thr.Obtaining a mutant plant formate dehydrogenase in which the Phe290 residue is replaced by a Thr residue.

Данный пример идентичен примеру 1 за исключением того, что в качестве прямого и обратного праймеров, обеспечивающих введение замены Phe290Thr, использовали следующие дезоксирибоолигонуклеотиды:This example is identical to example 1 except that the following deoxyribo oligonucleotides were used as the forward and reverse primers to allow the introduction of the Phe290Thr substitution:

Soy_F290TForSoy_F290TFor 5′-GATGTTTGG ACC CCACAGCCAGCTCCAA-3′5′-GATGTTTGG ACC CCACAGCCAGCTCCAA-3 ′ Soy_F290TRevSoy_F290TRev 5′-GCTGTGG GGT CCAAACATCACCACTATAACCT-3′5′-GCTGTGG GGT CCAAACATCACCACTATAACCT-3 ′

Полужирным шрифтом с подчеркиванием выделены нуклеотидные замены, обеспечивающие мутацию Phe290Thr.Nucleotide substitutions for the Phe290Thr mutation are underlined in bold.

Плазмида pSoyFDH с нуклеотидными заменами, обеспечивающими в гене фермента мутацию Phe290Thr, получила название pSoyFDH_F290T.Plasmid pSoyFDH with nucleotide substitutions that provide the Phe290Thr mutation in the enzyme gene is called pSoyFDH_F290T.

Для получения мутантного фермента клетки E.coli BL21 (DE3) pLysS Codon Plus (генотип Е.coli В F- ompT hsdS(rB- mB-) dcm+ Tetr gal λ(DE3)pLysS endA Hte [argU proL Camr]) трансформировали плазмидой pSoyFDH_F290T, высевали на чашки Петри с агаризованной средой, содержащей ампициллин (100 мкг/мл) и хлорамфеникол (25 мкг/мл) и проводили их культивирование (см. ниже).For mutant enzyme E.coli BL21 cells (DE3) pLysS Codon Plus (genotype E. coli B F - ompT hsdS (rB - mB -) dcm + Tet r gal λ (DE3) pLysS endA Hte [argU proL Cam r]) transformed with the plasmid pSoyFDH_F290T, seeded on Petri dishes with agar medium containing ampicillin (100 μg / ml) and chloramphenicol (25 μg / ml) and cultured (see below).

Пример 4.Example 4

Получение мутантной растительной формиатдегидрогеназы, в которой остаток Phe290 заменен на остаток Gln.Obtaining a mutant plant formate dehydrogenase in which the Phe290 residue is replaced by the Gln residue.

Данный пример идентичен примеру 1 за исключением того, что в качестве прямого и обратного праймеров, обеспечивающих введение замены Phe290Gln, использовали следующие дезоксирибоолигонуклеотиды:This example is identical to Example 1 except that the following deoxyribo oligonucleotides were used as the forward and reverse primers to allow the introduction of the Phe290Gln substitution:

Soy_F290QForSoy_F290QFor 5′-GATGTTTGG CAG CCACAGCCAGCTCCAAAG-3′5′-GATGTTTGG CAG CCACAGCCAGCTCCAAAG-3 ′ Soy_F290QRevSoy_F290QRev 5′-GCTGTGG CTG CCAAACATCACCACTATAACCT-3′5′-GCTGTGG CTG CCAAACATCACCACTATAACCT-3 ′

Полужирным шрифтом с подчеркиванием выделены нуклеотидные замены, обеспечивающие мутацию Phe290Gln.Nucleotide substitutions for the mutation of Phe290Gln are highlighted in bold with underline.

Плазмида pSoyFDH с нуклеотидными заменами, обеспечивающими в гене фермента мутацию Phe290Gln, получила название pSoyFDH_F290Q.The plasmid pSoyFDH with nucleotide substitutions providing the Phe290Gln mutation in the enzyme gene was called pSoyFDH_F290Q.

Для получения мутантного фермента клетки E.coli BL21 (DE3) pLysS Codon Plus (генотип Е.coli В F- ompT hsdS(rB- mB-) dcm+ Tetr gal λ(DE3)pLysS endA Hte [argU proL Camr) трансформировали плазмидой pSoyFDH_F290Q, высевали на чашки Петри с агаризованной средой, содержащей ампициллин (100 мкг/мл) и хлорамфеникол (25 мкг/мл) и проводили их культивирование (см. ниже).To obtain a mutant enzyme, E. coli BL21 (DE3) pLysS Codon Plus cells (E. coli genotype B F - ompT hsdS (rB - mB - ) dcm + Tet r gal λ (DE3) pLysS endA Hte [argU proL Cam r ) were transformed plasmid pSoyFDH_F290Q was plated on Petri dishes with agar medium containing ampicillin (100 μg / ml) and chloramphenicol (25 μg / ml) and cultured (see below).

Пример 5Example 5

Определение каталитических параметров мутантных форм формиатдегидрогеназы из сои, содержащих одну из аминокислотных замен - Phe290Ala, Phe290Tyr, Phe290Thr и Phe290Gln.Determination of the catalytic parameters of mutant forms of soy formate dehydrogenase containing one of the amino acid substitutions - Phe290Ala, Phe290Tyr, Phe290Thr and Phe290Gln.

Для определения каталитических параметров мутантные SoyFDH Phe290Ala, SoyFDH Phe290Tyr, SoyFDH Phe290Thr, pSoyFDH Phe290Gln и формиатдегидрогеназу сои дикого типа выделяли в высокоочищенном виде. Методика получения высокоочищенных препаратов была одинакова как для мутантных SoyFDH Phe290Ala, SoyFDH Phe290Tyr, SoyFDH Phe290Thr, pSoyFDH Phe290Gln, так и для фермента дикого типа.To determine the catalytic parameters, mutant SoyFDH Phe290Ala, SoyFDH Phe290Tyr, SoyFDH Phe290Thr, pSoyFDH Phe290Gln and wild-type soy formate dehydrogenase were isolated in highly purified form. The procedure for obtaining highly purified preparations was the same for the mutant SoyFDH Phe290Ala, SoyFDH Phe290Tyr, SoyFDH Phe290Thr, pSoyFDH Phe290Gln, and for the wild-type enzyme.

Экспрессию SoyFDH дикого типа и ее мутантов проводили в клетках Е.coli BL21 (DE3) CodonPlus/pLysS. Для приготовления посевного материала с чашки отбирали единичную колонию и культивировали в течение 7-9 ч при 30°C и 180 об/мин до достижения величины поглощения на длине волны 600 нм A600≈0,6-0,8 в 5 мл среды 2YT (дрожжевой экстракт 10 г/л, бактотриптон 16 г/л, хлорид натрия 5 г/л, pH 7.0) в присутствии 150 мкг/мл ампициллина и 25 мкг/мл хлорамфеникола. Затем содержимое пробирок переносили в конические качалочные колбы с отбойниками объемом 1 л, содержащими 200 мл среды 2YT и 150 мкг/мл ампициллина и клетки культивировали при 30°C и 80-90 об/мин до достижения величины поглощения на 600 нм, A600=0,6-0,8. Далее проводили индукцию клеток, добавляя в среду для культивирования раствор лактозы (300 г/л) до конечной концентрации индуктора 20 г/л. После индукции температуру культивирования снижали до 20°C и клетки культивировали в течение 17 ч при 120 об/мин. Полученную биомассу осаждали на центрифуге Beckman J-21 (США) при 7500 об/мин в течение 20 мин при 4°C и после удаления культуральной жидкости клетки ресуспендировали в 0,1 М натрий-фосфатном буфере, pH 8,0 в соотношении 1:4 (масс.). Полученную суспензию замораживали и хранили при -20°C.Expression of wild-type SoyFDH and its mutants was performed in E. coli BL21 (DE3) CodonPlus / pLysS cells. To prepare the seed, a single colony was taken from the cup and cultured for 7–9 h at 30 ° C and 180 rpm until the absorbance at a wavelength of 600 nm was reached A 600 ≈0.6-0.8 in 5 ml of 2YT medium (yeast extract 10 g / l, bactotriptone 16 g / l, sodium chloride 5 g / l, pH 7.0) in the presence of 150 μg / ml ampicillin and 25 μg / ml chloramphenicol. Then, the contents of the tubes were transferred to conical rocking flasks with 1 L chippers containing 200 ml of 2YT medium and 150 μg / ml ampicillin and the cells were cultured at 30 ° C and 80-90 rpm until the absorbance reached 600 nm, A 600 = 0.6-0.8. Then, cell induction was carried out by adding a lactose solution (300 g / l) to the final culture medium to a final inducer concentration of 20 g / l. After induction, the culture temperature was reduced to 20 ° C and the cells were cultured for 17 hours at 120 rpm. The resulting biomass was besieged in a Beckman J-21 centrifuge (USA) at 7500 rpm for 20 min at 4 ° C and after removal of the culture fluid, the cells were resuspended in 0.1 M sodium phosphate buffer, pH 8.0 in a ratio of 1: 4 (mass.). The resulting suspension was frozen and stored at -20 ° C.

Для выделения мутантных SoyFDH Phe290Ala, SoyFDH Phe290Tyr, SoyFDH Phe290Thr, pSoyFDH Phe290Gln и фермента дикого типа 20% суспензию клеток в 0,1 М натрий-фосфатном буфере, pH 8,0 подвергали двум циклам заморозки-разморозки, и затем клетки разрушали с использованием ультразвукового дезинтегратора «Branson Sonifier 250» (Германия) при постоянном охлаждении. Осадок удаляли центрифугированием на центрифуге «Eppendorf 5804 R» (11000 об/мин, 30 мин).To isolate the mutant SoyFDH Phe290Ala, SoyFDH Phe290Tyr, SoyFDH Phe290Thr, pSoyFDH Phe290Gln and the wild-type enzyme, a 20% cell suspension in 0.1 M sodium phosphate buffer, pH 8.0 was subjected to two freezing cycles and then milled disintegrator "Branson Sonifier 250" (Germany) with constant cooling. The precipitate was removed by centrifugation on an Eppendorf 5804 R centrifuge (11000 rpm, 30 min).

Для очистки использовали модифицированную методику, разработанную для получения рекомбинантной ФДГ из бактерий Pseudomonas sp. 101 (Rojkova A.M., Galkin A.G., Kulakova L.B., Serov A.E., Savitsky P.A., Fedorchuk V.V., and Tishkov V.I. Bacterial formate dehydrogenase. Increasing the enzyme thermal stability by hydrophobization of alpha-helices. FEBS Lett., 1999, v.445, pp.183-188). Процедура очистки фермента включала высаживание балластных белков сульфатом аммония (45% от насыщения), осаждение целевого белка при концентрации сульфата аммония 85% от насыщения и его последующее перерастворение в растворе, содержащем 45% сульфат аммония в 0,1 M фосфатном буфере, pH 7,0 (буфера A). Полученный супернатант использовали для гидрофобной хроматографии на Phenyl Sepharose Fast Flow (Pharmacia Biotech) в нисходящем градиенте 45-0% концентрации сульфата аммония в буфере A и обессоливание на колонке с Сефадекс G-25 в том же буфере. Контроль чистоты полученных препаратов осуществлялся с использованием аналитического электрофореза в 12% полиакриламидном геле в присутствии 0,1% додецилсульфата натрия на приборе для электрофореза MiniProtean II фирмы «BioRad».For purification, we used a modified technique developed to obtain recombinant FDG from bacteria Pseudomonas sp. 101 (Rojkova AM, Galkin AG, Kulakova LB, Serov AE, Savitsky PA, Fedorchuk VV, and Tishkov VI Bacterial formate dehydrogenase. Increasing the enzyme thermal stability by hydrophobization of alpha-helices. FEBS Lett., 1999, v.445, pp .183-188). The enzyme purification procedure included the precipitation of ballast proteins with ammonium sulfate (45% of saturation), precipitation of the target protein at a concentration of ammonium sulfate 85% of saturation, and its subsequent re-dissolution in a solution containing 45% ammonium sulfate in 0.1 M phosphate buffer, pH 7, 0 (buffer A). The obtained supernatant was used for hydrophobic chromatography on Phenyl Sepharose Fast Flow (Pharmacia Biotech) in a downward gradient of 45-0% ammonium sulfate concentration in buffer A and desalination on a Sephadex G-25 column in the same buffer. The purity of the obtained preparations was controlled using analytical electrophoresis in a 12% polyacrylamide gel in the presence of 0.1% sodium dodecyl sulfate on a MiniProtean II electrophoresis device from BioRad.

Активность ФДГ определяли спектрофотометрически по накоплению NADH на длине волны 340 нм (ε340=6220 М-1 см-1) на спектрофотометре «Schimadzu UV 1800 PC» при 30°C в 0,1 М натрий-фосфатном буфере, pH 7,0. Концентрация формиата натрия и NAD+ в кювете составляла 0,6 М и 0,2 мг/мл соответственно.FDH activity was determined spectrophotometrically by the accumulation of NADH at 340 nm (ε 340 = 6220 M -1 cm -1) spectrophotometer «Schimadzu UV 1800 PC» at 30 ° C in 0.1 M sodium phosphate buffer, pH 7,0 . The concentration of sodium formate and NAD + in the cuvette was 0.6 M and 0.2 mg / ml, respectively.

Константы Михаэлиса по NAD+ и формиату определяли из зависимостей активности фермента от концентрации (0,4-6 KМ) соответствующего субстрата. Концентрация второго субстрата была насыщающей (>30KМ). Точную концентрацию исходного раствора NAD+ определяли спектрофотометрически на длине волны 260 нм (ε260=17800 М-1 см-1). Раствор формиата натрия с заданной концентрацией готовили, растворяя нужное количество субстрата в 0,1 М натрий-фосфатном буфере, pH 7,0. Объем раствора доводили в мерной колбе. Значения Kм были рассчитаны из экспериментальных кривых с применением метода нелинейной регрессии, используя программу Origin Pro 8.5.Michaelis constants for NAD + and formate were determined from the dependences of the enzyme activity on the concentration (0.4-6 K M ) of the corresponding substrate. The concentration of the second substrate was saturating (> 30K M ). The exact concentration of the initial NAD + solution was determined spectrophotometrically at a wavelength of 260 nm (ε 260 = 17800 M -1 cm -1 ). A solution of sodium formate with a given concentration was prepared by dissolving the desired amount of substrate in 0.1 M sodium phosphate buffer, pH 7.0. The solution volume was adjusted in a volumetric flask. K m values were calculated from experimental curves using the nonlinear regression method using the Origin Pro 8.5 software.

Для нахождения каталитических констант готовили несколько проб исследуемого фермента с различной концентрацией. Для каждой пробы определяли значения максимальной скорости и концентрацию активных центров. Концентрацию активных центров определяли из зависимостей тушения собственной флуоресценции фермента в комплексе с NAD+ при добавлении азид-иона как описано в (Романова Е.Г., Алексеева А.А., Пометун Е.В., Тишков В.И. Определение концентрации активных центров и каталитической константы рекомбинантной формиатдегидрогеназы из сои Glycine max. Вестник Московского Университета, Сер. 2: Химия, 2010, т.51, №3, с.156-159). Измерения проводили в 0,1 М натрий-фосфатном буфере, pH 7,0 на спектрофлуориметре Cary Eclipse ("Varian" США). Далее строили график зависимости максимальной скорости от концентрации активных центров и значение каталитической константы определяли как тангенс угла наклона прямой методом линейной регрессии, используя программу Origin Pro 8.5.To find the catalytic constants, several samples of the studied enzyme with different concentrations were prepared. For each sample, the values of the maximum velocity and the concentration of active centers were determined. The concentration of active centers was determined from the dependences of quenching the intrinsic fluorescence of the enzyme in complex with NAD + with the addition of an azide ion as described in (Romanova E.G., Alekseeva A.A., Pometun E.V., Tishkov V.I. Determination of the concentration of active of centers and catalytic constant of recombinant formate dehydrogenase from soybean Glycine max. Vestnik of Moscow University, Ser. 2: Chemistry, 2010, v.51, No. 3, p.156-159). The measurements were carried out in 0.1 M sodium phosphate buffer, pH 7.0 on a Cary Eclipse spectrofluorimeter (Varian USA). Next, we plotted the dependence of the maximum velocity on the concentration of active centers and the value of the catalytic constant was determined as the slope of the straight line by linear regression using the Origin Pro 8.5 program.

Результаты определения каталитических параметров для полученных мутантных форм SoyFDH Phe290Ala, SoyFDH Phe290Tyr, SoyFDH Phe290Thr, pSoyFDH Phe290Gln и белка дикого типа представлены в таблице 2. Для сравнения в этой таблице также представлены данные по каталитическим параметрам ранее полученных мутантных SoyFDH. Как следует из таблицы 2, замена остатка фенилаланина в 290 положении на остатки аланина, тирозина, треонина и глутамина приводит к увеличению величины каталитической константы на 21-38% по сравнению с ферментом дикого типа. В случае Kм по NAD+ в пределах ошибки эксперимента этот параметр не изменился в случае замены Phe290Thr и немного улучшился в случае замен Phe290Ala, Phe290Tyr и Phe290Gln. Основным важным результатом является тот факт, что при введении замен Phe290Ala, Phe290Tyr, Phe290Thr и Phe290Gln константа Михаэлиса по формиату по сравнению с ферментом дикого типа не только не ухудшается (что наблюдалось для других, описанных ранее мутантных SoyFDH, табл.2), но и немного улучшается. В результате каталитическая эффективность полученных мутантов по формиату (отношение k c a t / K м H C O O

Figure 00000002
) возросла по сравнению с исходной формиатдегидрогеназой сои на 51-102%. Кроме того, все четыре новые мутантные SoyFDH превосходят по каталитической эффективности по формиату и лучшую ранее описанную мутантную SoyFDH Ala267Ile (табл.2).The results of determining the catalytic parameters for the obtained mutant forms of SoyFDH Phe290Ala, SoyFDH Phe290Tyr, SoyFDH Phe290Thr, pSoyFDH Phe290Gln and wild-type protein are presented in table 2. For comparison, the data on the catalytic parameters of previously obtained mutant SoyFDH are also presented in this table. As follows from table 2, the replacement of the phenylalanine residue at position 290 with residues of alanine, tyrosine, threonine and glutamine leads to an increase in the value of the catalytic constant by 21-38% compared with the wild-type enzyme. In the case of K m for NAD + , within the experimental error, this parameter did not change in the case of replacing Phe290Thr and slightly improved in the case of replacing Phe290Ala, Phe290Tyr, and Phe290Gln. The main important result is the fact that with the introduction of the substitutions Phe290Ala, Phe290Tyr, Phe290Thr and Phe290Gln, the Michaelis constant in formate in comparison with the wild-type enzyme not only does not deteriorate (which was observed for the other mutant SoyFDH described previously, Table 2), but also improves a bit. As a result, the catalytic efficiency of the obtained formate mutants (ratio k c a t / K m H C O O -
Figure 00000002
) increased in comparison with the initial formate dehydrogenase of soybeans by 51-102%. In addition, all four new mutant SoyFDH are superior in catalytic efficiency in formate to the best previously described mutant SoyFDH Ala267Ile (Table 2).

Таблица 2table 2 Кинетические параметры мутантных SoyFDH и фермента дикого типа (0,1 М натрий-фосфатный буфер, pH 7,0)*Kinetic parameters of mutant SoyFDH and wild-type enzyme (0.1 M sodium phosphate buffer, pH 7.0) * ФерментEnzyme kcat, с-1 k cat , s -1 K м N A D +

Figure 00000003
, мкМ K m N A D +
Figure 00000003
μm K м H C O O
Figure 00000004
, мМ
K m H C O O -
Figure 00000004
mm
k c a t / K м N A D +
Figure 00000005
, (мкМ∗с)-1
k c a t / K m N A D +
Figure 00000005
, (μM * s) -1
k c a t / K м H C O O
Figure 00000002
, (мМ∗с)-1-
k c a t / K m H C O O -
Figure 00000002
, (mm * s) -1-
SoyFDH дикого типаWild type soyfdh 2,9±0,12.9 ± 0.1 13,3±0,813.3 ± 0.8 1,5±0,11.5 ± 0.1 0,200.20 1,931.93 Мутантные SoyFDH данной заявкиMutant SoyFDH of this application SoyFDH F290ASoyFDH F290A 3,8±0,13.8 ± 0.1 8,6±0,68.6 ± 0.6 1,1±0,11.1 ± 0.1 0,440.44 3,453.45 SoyFDH F290YSoyFDH F290Y 3,5±0,13.5 ± 0.1 10,9±0,310.9 ± 0.3 0,9±0,10.9 ± 0.1 0,320.32 3,893.89 SoyFDH F290TSoyFDH F290T 4,0±0,44.0 ± 0.4 14,3±0,914.3 ± 0.9 1,3±0,11.3 ± 0.1 0,280.28 3,083.08 SoyFDH F290QSoyFDH F290Q 3,5±0,23.5 ± 0.2 11,7±0,611.7 ± 0.6 1,2±0,11.2 ± 0.1 0,290.29 2,922.92 Мутантные SoyFDH, описанные ранее∗∗Mutant SoyFDH previously described ∗∗ SoyFDH F290NSoyFDH F290N 2,8±0,12.8 ± 0.1 14,0±1,014.0 ± 1.0 4,5±0,34,5 ± 0,3 0,200.20 0,620.62 SoyFDH F290DSoyFDH F290D 5,1±0,35.1 ± 0.3 12,8±0,812.8 ± 0.8 5,0±0,25.0 ± 0.2 0,400.40 1,021,02 SoyFDH F290SSoyFDH F290S 4,1±0,24.1 ± 0.2 9,1±0,79.1 ± 0.7 4,1±0,34.1 ± 0.3 0,450.45 1,001.00 SoyFDH L24DSoyFDH L24D 3,2±0,23.2 ± 0.2 13,7±0,713.7 ± 0.7 2,3±0,12.3 ± 0.1 0,230.23 1,391.39 SoyFDH V127RSoyFDH V127R 3,6±0,73.6 ± 0.7 9,5±0,59.5 ± 0.5 3,4±0,23.4 ± 0.2 0,380.38 1,061.06 SoyFDH A267MSoyFDH A267M 5,0±0,95.0 ± 0.9 9,9±0,89.9 ± 0.8 2,1±0,22.1 ± 0.2 0,510.51 2,382,38 ∗ Полужирным шрифтом выделены параметры, которые превосходят таковые для фермента дикого типа.∗ The parameters that are superior to those for the wild-type enzyme are highlighted in bold. ∗∗ Алексеева А.А., Савин С.С., Клейменов С.Ю., Упоров И.В., Пометун Е.В., Тишков В.И. Стабилизация рекомбинантной формиатдегидрогеназы из сои Glycine max методом рационального дизайна. Биохимия, 2012, т.77, N10, с.1443-1456 и Alekseeva А.А., Serenko А.А., Kargov I.S., Savin S.S., Kleymenov S.Yu., and Tishkov V.I. Engineering catalytic properties and thermal stability of plant formate dehydrogenase by single-point mutations. Protein Eng. Des. Sel., 2012, v.25, №11, p.781-788.∗∗ Alekseeva A.A., Savin S.S., Kleimenov S.Yu., Uporov I.V., Pometun E.V., Tishkov V.I. Stabilization of recombinant formate dehydrogenase from soy Glycine max by the rational design method. Biochemistry, 2012, vol. Engineering catalytic properties and thermal stability of plant formate dehydrogenase by single-point mutations. Protein Eng. Des. Sel., 2012, v.25, No. 11, p. 781-788.

Claims (4)

1. Мутантная формиатдегидрогеназа с улучшенными свойствами, характеризующаяся аминокислотной последовательностью, соответствующей аминокислотной последовательности формиатдегидрогеназы из Glycine max дикого типа, в которой остаток фенилаланина в положении 290 заменен остатком аланина.1. Mutant formate dehydrogenase with improved properties, characterized by the amino acid sequence corresponding to the amino acid sequence of the wild-type formate dehydrogenase from Glycine max, in which the phenylalanine residue at position 290 is replaced by an alanine residue. 2. Мутантная формиатдегидрогеназа с улучшенными свойствами, характеризующаяся аминокислотной последовательностью, соответствующей аминокислотной последовательности формиатдегидрогеназы из Glycine max дикого типа, в которой остаток фенилаланина в положении 290 заменен остатком тирозина.2. Mutant formate dehydrogenase with improved properties, characterized by an amino acid sequence corresponding to the amino acid sequence of wild-type formate dehydrogenase from Glycine max, in which the phenylalanine residue at position 290 is replaced by a tyrosine residue. 3. Мутантная формиатдегидрогеназа с улучшенными свойствами, характеризующаяся аминокислотной последовательностью, соответствующей аминокислотной последовательности формиатдегидрогеназы из Glycine max дикого типа, в которой остаток фенилаланина в положении 290 заменен остатком треонина.3. Mutant formate dehydrogenase with improved properties, characterized by an amino acid sequence corresponding to the amino acid sequence of wild-type formate dehydrogenase from Glycine max, in which the phenylalanine residue at position 290 is replaced by a threonine residue. 4. Мутантная формиатдегидрогеназа с улучшенными свойствами, характеризующаяся аминокислотной последовательностью, соответствующей аминокислотной последовательности формиатдегидрогеназы из Glycine max дикого типа, в которой остаток фенилаланина в положении 290 заменен остатком глутамина. 4. Mutant formate dehydrogenase with improved properties, characterized by an amino acid sequence corresponding to the amino acid sequence of wild-type formate dehydrogenase from Glycine max, in which the phenylalanine residue at position 290 is replaced by a glutamine residue.
RU2013144862/10A 2013-10-08 2013-10-08 Mutant formate dehydrogenase (versions) RU2545966C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013144862/10A RU2545966C1 (en) 2013-10-08 2013-10-08 Mutant formate dehydrogenase (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013144862/10A RU2545966C1 (en) 2013-10-08 2013-10-08 Mutant formate dehydrogenase (versions)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2545966C1 true RU2545966C1 (en) 2015-04-10
RU2013144862A RU2013144862A (en) 2015-04-20

Family

ID=53282570

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013144862/10A RU2545966C1 (en) 2013-10-08 2013-10-08 Mutant formate dehydrogenase (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2545966C1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2312897C1 (en) * 2006-07-27 2007-12-20 Общество с ограниченной ответственностью "Инновации и высокие технологии МГУ" Recombinant thermostable formate dehydrogenase

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2312897C1 (en) * 2006-07-27 2007-12-20 Общество с ограниченной ответственностью "Инновации и высокие технологии МГУ" Recombinant thermostable formate dehydrogenase

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A.A.ALEKSEEVA Engineering catalytic properties and thermal stability of plant formate dehydrogenase by single-point mutations, Protein Engineering, Design and Selection, 2012, v.25, N11, p.781-788 . А.А.АЛЕКСЕЕВА Рекомбинантная формиатдегидрогеназа из сои Glycine max: белковая инженерия и структурные исследования. Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук, Москва, 2011 *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013144862A (en) 2015-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
des Francs-Small et al. Identification of a major soluble protein in mitochondria from nonphotosynthetic tissues as NAD-dependent formate dehydrogenase
KR101814588B1 (en) Mutant enzyme and application thereof
CN107794273B (en) Three-gene co-expression vector for synthesizing DL-alanine and application
US20220348974A1 (en) Biotin synthases for efficient production of biotin
CN115427580A (en) Modified microorganisms and methods for improving ectoine production
Vannelli et al. Functional expression in Escherichia coli of the tyrosine-inducible tyrosine ammonia-lyase enzyme from yeast Trichosporon cutaneum for production of p-hydroxycinnamic acid
CN112852790A (en) Plant nitrilase chimeric enzyme mutant, coding gene and application thereof
CN114525268B (en) Glutamate decarboxylase mutant with improved pH tolerance and application of glutamate decarboxylase mutant in synthesis of gamma-aminobutyric acid
CN111808829B (en) Gamma-glutamyl methylamine synthetase mutant and application thereof
RU2557299C1 (en) Mutant plant formate dehydrogenase (versions)
RU2545966C1 (en) Mutant formate dehydrogenase (versions)
CN114395571B (en) Phaeodactylum tricornutum ZEP1 gene, protein and application
CN114686547B (en) Method for enzymatic synthesis of acetyl-CoA by diacerein donor
WO2022007542A1 (en) Taxadiene synthase tcts2, coding nucleotide sequence and use thereof
RU2522819C2 (en) Mutant formate dehydrogenase (versions)
JP5099881B2 (en) Highly efficient cell-free protein synthesis system
KR20190095429A (en) Glutathione reductase
CN113652408A (en) Carbonyl reductase mutant and application thereof in synthesis of (R) -4-chloro-3-hydroxybutyric acid ethyl ester
Komarova et al. Mutant D-amino acid oxidase with higher catalytic efficiency toward D-amino acids with bulky side chains
CN112410353B (en) fkbS gene, genetic engineering bacterium containing fkbS gene, and preparation method and application of fkbS gene
CN109402188B (en) Omega-transaminase from bacillus pumilus and application of omega-transaminase in biological amination
EP3489361B1 (en) Microorganism having activity of acyltransferase and use thereof
JP2009089649A (en) Diaphorase gene of clostridium kluyveri and its application
US9714436B2 (en) Recombinant microorganism and method for producing a substance using the same
RU2412998C1 (en) Mutant oxidase of d-amino acids

Legal Events

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

Effective date: 20151009