RU2557299C1 - Mutant plant formate dehydrogenase (versions) - Google Patents

Mutant plant formate dehydrogenase (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2557299C1
RU2557299C1 RU2014113596/10A RU2014113596A RU2557299C1 RU 2557299 C1 RU2557299 C1 RU 2557299C1 RU 2014113596/10 A RU2014113596/10 A RU 2014113596/10A RU 2014113596 A RU2014113596 A RU 2014113596A RU 2557299 C1 RU2557299 C1 RU 2557299C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
formate dehydrogenase
residue
formate
mutant
enzyme
Prior art date
Application number
RU2014113596/10A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Иванович Тишков
Анастасия Александровна Алексеева
Святослав Сергеевич Савин
Лариса Ивановна Савина
Евгений Владимирович Пометун
Елена Павловна Труфманова
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "ПОМАЛЕКС"
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 "ПОМАЛЕКС", Общество с ограниченной ответственностью "Инновации и высокие технологии МГУ" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "ПОМАЛЕКС"
Priority to RU2014113596/10A priority Critical patent/RU2557299C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2557299C1 publication Critical patent/RU2557299C1/en

Links

Images

Landscapes

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

Abstract

FIELD: biotechnology.
SUBSTANCE: invention is two new mutant forms of plant formate dehydrogenase (FDH) having improved thermostability compared to the initial protein. In the mutant proteins the natural residue of alanine in the position corresponding to position 267 in the initial sequence of formate dehydrogenase of soybean Glycine max, is replaced by the residue of methionine. In addition, in one of the mutants the natural residue of isoleucine in the position 272 is additionally replaced by the residue of valine.
EFFECT: invention enables to obtain formate dehydrogenase with increased temperature stability.
2 cl, 2 tbl, 4 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 две новые мутантные формы растительной формиатдегидрогеназы (ФДГ), обладающие повышенной термостабильностью по сравнению с исходным ферментом. Во всех из предложенных мутантных белков природный остаток аланина в положении, соответствующем положению 267 в последовательности исходной формиатдегидрогеназы из сои Glycine max, заменен на остаток метионина. Кроме того, в одном из мутантов природный остаток изолейцина в положении 272 заменен на остаток валина. Данные замены могут быть использованы в комбинации с другими мутациями, обеспечивающими приобретение формиатдегидрогеназами новых или улучшенных свойств.Two new mutant forms of plant formate dehydrogenase (FDH) have been obtained, which have enhanced thermal stability compared to the starting enzyme. In all of the proposed mutant proteins, the natural alanine residue at the position corresponding to position 267 in the sequence of the initial formate dehydrogenase from Glycine max soybean was replaced with a methionine residue. In addition, in one of the mutants, the natural isoleucine residue at position 272 is replaced by a valine 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 повышенной термостабильностью 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 enhanced thermal stability compared to the corresponding wild-type enzyme, to DNA encoding mutant forms of formate dehydrogenase, to the use of these enzymes in systems for the synthesis of optically active compounds or physiologically active substances, for the detection of formate, as well as for obtaining stress-resistant plants.

НАД+-зависимая формиатдегидрогеназа катализирует окисление формиата до углекислого газа при сопряженном восстановлении NАД+ 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

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 рН-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., Stingi 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 лейциндегидро-геназой, 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 E.coli совместно с кеторедуктазой и такой биокатализатор был использован в процессах синтеза ксилитола из ксилозы и 5-1-(2-хлорфенил) этанола из о-хлорацетофенона (Madje K., Schmolzer K., Nidetzky В., 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). 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 5-1,2-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., Stingi 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 bacteria Mycobacterium vaccae N10 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 5-1- (2-chlorophenyl) ethanol from o-chloroacetophenone (Madje K., Schmolzer 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). 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, 2011 .10, p.176-183.) Formate dehydrogenase from Candida methylica yeast, as well as other enzymes, was immobilized onto nanoparticles with the synthesis of high optical purity 5-1,2-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.l8, 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., Axarii 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.l8, 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., Axarii 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 ge nes 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 формиатегидрогеназами 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). Характерной особенностью растительных формиатдегидрогеназ является наличие нескольких изоферментов, которые кодируются отдельными генами. В случае формиатдеигдрогеназы сои в литературе описано 6 изоферментов (Алексеева А.А., Савин С.С., Тишков В.И. NAD+-зависимая формиатдегидрогеназа растений. Acta Naturae, 2011, т.3, №4(11), с.40-56). В нашем распоряжении имеется еще один ген изофермента сои. Аминокислотная последовательность этого изофермента представлена в данной заявке в виде последовательности Seq_ID №1.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 dehydrogenase from Arabidopsis thaliana and soybean: expression in E. coli cells and kinetic properties of recombinant enzymes.Vestn. Mosk. Un. Ser. 2. Chemistry, 2006, v. 47, N1, p.31- 34) and it has the lowest values of Michaelis constants in comparison with 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). A characteristic feature of plant formate dehydrogenases is the presence of several isoenzymes that are encoded by individual genes. In the case of soybean formate dehydrogenase, 6 isoenzymes are described in the literature (Alekseeva A.A., Savin S.S., Tishkov V.I. NAD + -dependent formate dehydrogenase of plants. Acta Naturae, 2011, v. 3, No. 4 (11), p .40-56). At our disposal there is another soy isoenzyme gene. The amino acid sequence of this isoenzyme is presented in this application as the sequence Seq_ID No. 1.

Основными недостатками известных природных и рекомбинантных формиатдегидрогеназ из растений дикого типа является невысокая температурная стабильность этих ферментов. Таким образом, для успешного применения формиатдегидрогеназы из сои на практике необходимо повысить стабильность 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 temperature stability of these enzymes. Thus, for the successful use of formate dehydrogenase from soy in practice, it is necessary to increase the stability 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 ферментов в литературе описано много примеров успешного улучшения свойств методами белковой инженерии. Для повышения термостабильности формиатдегидрогеназы из бактерий Pseudomonas sp.101 (PseFDH) были использованы подходы, основанные на гидрофобизации α-спиралей (замены остатков Ser в α-спиралях на Ala) (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), увеличении гидрофобности белковой глобулы (замены остатков Ala на Val в области контактов α-спиралей) (Fedorchuk V.V., Galkin A.G., Yasny I.E., Kulakova L.B., Rojkova A.M., Filippova A.A., and Tishkov V.I. Influence of interactions between amino acid residues 43 and 61 on thermal stability of bacterial formate dehydrogenases. Biochemistry (Mosc.), 2002, v.67, pp.1145-1151) и снятия конформационных напряжений в полипептидной цепи (замены объемных Asn и Tyr на Gly) (Serov A.E. and Tishkov V.I. Role of Pro residues in stability of prokaryotic and euacaryotic formate dehydrogenases. Вестн.Моск.Ун-та. сер.2. Химия, 2002, v.43, pp.345-349; Serov A.E., Odintzeva E.R., Uporov I.V., and Tishkov V.I. Use of Ramachandran plot for increasing thermal stability of bacterial formate dehydrogenase. Biochemistry (Mosc.), 2005, v.70, pp.804-808). Поиск положений для мутагенеза был основан на данных рентгеноструктурного анализа и сравнении аминокислотных последовательностей ФДГ из разных источников. В результате единичной замены эффект стабилизации был небольшим - от 10 до 50%, но практически во всех случаях - аддитивным (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, p.183-188; Serov A.E., Odintzeva E.R., Uporov I.V., and Tishkov V.I. Use of Ramachandran plot for increasing thermal stability of bacterial formate dehydrogenase. Biochemistry (Mosc.), 2005, v.70, pp.804-808).For bacterial and yeast enzymes in the literature there are many examples of successful improvement of properties by methods of protein engineering. To increase the thermal stability of formate dehydrogenase from bacteria Pseudomonas sp. 101 (PseFDH), approaches based on hydrophobization of α-helices (replacing Ser residues in α-helices with Ala) were used (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), increasing the hydrophobicity of the protein globule (replacing Ala residues with Val in contact regions of α-helices) (Fedorchuk VV, Galkin AG, Yasny IE, Kulakova LB, Rojkova AM, Filippova AA, and Tishkov VI Influence of interactions between amino acid residues 43 and 61 on thermal stability of bacterial formate dehydrogena ses. Biochemistry (Mosc.), 2002, v. 67, pp. 1145-1151) and the removal of conformational stresses in the polypeptide chain (replacement of bulk Asn and Tyr by Gly) (Serov AE and Tishkov VI Role of Pro residues in stability of prokaryotic and euacaryotic formate dehydrogenases. Vestn.Mosk.Un-ta. ser.2. Chemistry, 2002, v. 43, pp. 345-349; Serov A.E., Odintzeva E.R., Uporov I.V., and Tishkov V.I. Use of Ramachandran plot for increasing thermal stability of bacterial formate dehydrogenase. Biochemistry (Mosc.), 2005, v. 70, pp. 804-808). The search for positions for mutagenesis was based on the data of X-ray diffraction analysis and comparison of the amino acid sequences of FDG from different sources. As a result of a single replacement, the stabilization effect was small - from 10 to 50%, but in almost all cases - additive (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, p. 183-188; Serov AE, Odintzeva ER, Uporov IV, and Tishkov VI Use of Ramachandran plot for increasing thermal stability of bacterial formate dehydrogenase Biochemistry (Mosc.), 2005, v. 70, pp. 804-808).

Мутации, повышающие операционную и температурную стабильность, были объединены в мутанте PseFDH GAV. В результате такого объединения сродство к NAD+ увеличилось в 2 раза, а температурная стабильность - в 2,5 раза, а операционная - более, чем в 1000 раз по сравнению с PseFDH дикого типа. Получение мутантных PseFDH с улучшенной термостабильностью позволило ввести в процесс очистки рекомбинантного фермента стадию термообработки. Нагревание бесклеточного экстракта при 60°С в течение 20-30 мин приводит к повышению чистоты препарата PseFDH GAV с 50 до 80-85% без потери ферментативной активности (Tishkov V.I. and Popov V.O. Protein engineering of formate dehydrogenase. Biomol. Eng, 2006, v.23, pp.89-110).Mutations that enhance operational and temperature stability were combined in the PseFDH GAV mutant. As a result of this association, the affinity for NAD + increased by 2 times, and thermal stability - by 2.5 times, and operating - more than 1000 times compared with wild-type PseFDH. The preparation of mutant PseFDHs with improved thermal stability made it possible to introduce a heat treatment step into the purification of a recombinant enzyme. Heating the cell-free extract at 60 ° C for 20-30 min leads to an increase in the purity of the PseFDH GAV preparation from 50 to 80-85% without loss of enzymatic activity (Tishkov VI and Popov VO Protein engineering of formate dehydrogenase. Biomol. Eng, 2006, v .23, pp. 89-110).

Также в литературе имеются данные по увеличению стабильности ФДГ из дрожжей С.boidini. В работе (Slusarczyk Н., Felber S., Kula M.R., and Pohl M. Novel mutants of formate dehydrogenase from Candida boidinii. US Patent Application Publication, 2003, US 2003/0157664) получен химически более стабильный мутант CboFDH SM с заменой Cys23Ser, который был гораздо устойчивее фермента дикого типа в растворах 150 мМ Н2О2 и 50 мкМ CuSO4, однако его термостабильность уменьшилась в 6,7 раз (уменьшение Tm на 5°С). Для компенсации потери стабильности использовали метод направленной эволюции. Были найдены 4 мутации, дающий наибольший эффект стабилизации (Glu151Asp, Arg178Ser, Lys306Arg, Thr315Asn), которые повысили термостабильность мутанта CboFDH_SM в 36 раз (увеличение Tm на 10°С), а по сравнению с ферментом дикого типа - в 5,7 раз.Also in the literature there is evidence of an increase in the stability of FDG from C. boidini yeast. In the work (Slusarczyk N., Felber S., Kula MR, and Pohl M. Novel mutants of formate dehydrogenase from Candida boidinii. US Patent Application Publication, 2003, US 2003/0157664), a chemically more stable mutant CboFDH SM with the replacement Cys23Ser, which was much more stable than the wild-type enzyme in solutions of 150 mM H 2 O 2 and 50 μM CuSO 4 , but its thermal stability decreased by 6.7 times (T m decrease by 5 ° C). To compensate for the loss of stability, the method of directed evolution was used. Four mutations were found that give the greatest stabilization effect (Glu151Asp, Arg178Ser, Lys306Arg, Thr315Asn), which increased the thermal stability of the CboFDH_SM mutant by 36 times (increase in T m by 10 ° С), and by 5.7 times in comparison with the wild-type enzyme .

В случае рекомбинантной формиатдегидрогеназы из сои (SoyFDH) описаны мутанты с точечными заменами остатка Phe290 на остатки Asp, Asn и Ser (Alekseeva A.A. et al. Protein Eng. Des. Sel., 2012, v.25, N11, p.781-788), у которых константа скорости инактивации при 56°С была снижена от 2,5 (замена Ala267Met) до 42 раз (замена Phe290Asp) по сравнению с таковой для фермента дикого типа. В то же время исходная рекомбинантная ФДГ сои имеет такую же химическую стабильность при инкубации с пероксидом водорода, что и мутантная ФДГ из бактерий Pseudomonas sp.101 с заменой двух остатков цистеина Cys145Ser и Cys255Ala (Савин С.С., Тишков В.И. Инактивация пероксидом водорода как метод оценки стрессовой стабильности формиатдегидрогеназы in vivo. Acta Naturae, 2010, т.2, №1(4), с.80-84. Однако полученные мутантные SoyFDH уступают по стабильности ФДГ из бактерий и дрожжей.In the case of recombinant soybean formate dehydrogenase (SoyFDH), mutants are described with point substitutions of the Phe290 residue with Asp, Asn and Ser residues (Alekseeva AA et al. Protein Eng. Des. Sel., 2012, v.25, N11, p. 781-788 ), in which the inactivation rate constant at 56 ° C was reduced from 2.5 (Ala267Met replacement) to 42 times (Phe290Asp replacement) compared to that for the wild-type enzyme. At the same time, the initial recombinant soybean FDH has the same chemical stability during incubation with hydrogen peroxide as the mutant FDH from bacteria Pseudomonas sp. 101 with the replacement of two cysteine residues Cys145Ser and Cys255Ala (Savin S.S., Tishkov V.I. Inactivation hydrogen peroxide as a method for assessing the stress stability of formate dehydrogenase in vivo Acta Naturae, 2010, v. 2, No. 1 (4), pp. 80-84. However, the obtained mutant SoyFDHs are inferior in stability to FDG from bacteria and yeast.

Техническая задача, решаемая посредством предлагаемого технического решения, состоит в получении мутантной формы формиатдегидрогеназы из сои Glycine max с повышенной температурной стабильностью по сравнению со стабильностью фермента дикого типа.The technical problem solved by the proposed technical solution is to obtain a mutant form of formate dehydrogenase from soy Glycine max with increased temperature stability compared with the stability of the wild-type enzyme.

Технический результат, получаемый при реализации предлагаемого технического решения, состоит в повышении температурной стабильности полученной мутантной формы формиатдегидрогеназы из сои Glycine max по отношению к термостабильности фермента дикого типа.The technical result obtained by the implementation of the proposed technical solution consists in increasing the temperature stability of the obtained mutant form of formate dehydrogenase from soy Glycine max in relation to the thermal stability of the wild-type enzyme.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать рекомбинантную растительную формиатдегидрогеназу, в которой в качестве основы использована аминокислотная последовательность формиатдегидрогеназы из сои Glycine max, указанная в Seq_ID №1. Отличительной особенностью данной последовательности является наличие в ней 1 положении на N-конце остатка Ala, в то время как в активном ферменте дикого типа в этом положении находится остаток Ser. Данная замена позволяет повысить скорость биосинтеза и стабильность рекомбинантной формиатдегидрогеназы при экспрессии в клетках E.coli.To achieve the technical result, it is proposed to use a recombinant plant formate dehydrogenase, in which the amino acid sequence of formate dehydrogenase from soy Glycine max, specified in Seq_ID No. 1, is used. A distinctive feature of this sequence is the presence in it of 1 position at the N-terminus of the Ala residue, while in the active wild-type enzyme, the Ser residue is in this position. This replacement allows to increase the biosynthesis rate and stability of recombinant formate dehydrogenase when expressed in E. coli cells.

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

Пример 1Example 1

Получение мутантной растительной формиатдегидрогеназы, в которой остаток Ala267 заменен на остаток Met.Obtaining a mutant plant formate dehydrogenase in which the Ala267 residue is replaced by the Met 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 рЕТ21а (Novagen, США), в которую по сайтам рестрикции NdeI и EcoRI встроена кДНК исходной формиатдегидрогеназы сои Glycine max.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 the cDNA of the original soy formate dehydrogenase Glycine max was inserted at the NdeI and EcoRI restriction sites.

Для введения мутации Ala267Met в ген растительной формиатдегидрогеназы с использованием ПЦР применяли универсальные праймеры Т7 for и Т7 rev:To introduce the Ala267Met mutation into the plant formate dehydrogenase gene using PCR, universal T7 for and T7 rev primers were used:

T7For 5′-TAATACGACTCACTATAGGG-3′T7For 5′-TAATACGACTCACTATAGGG-3 ′

T7rev 5′-GCTAGTTATTGCTCAGCGG-3′,T7rev 5′-GCTAGTTATTGCTCAGCGG-3 ′,

а также прямой и обратный праймеры, несущие требуемую замену в триплете, кодирующем в гене soyfdh остаток Met в положении 267:as well as direct and reverse primers carrying the required substitution in a triplet encoding in the soyfdh gene the residue Met at position 267:

SoyA267Mfor 5′-GAGGGGCAATTATGGACACCCAAGCAATTGCA-3′SoyA267Mfor 5′-GAGGGGCAATTATGGACACCCAAGCAATTGCA-3 ′

SoyA267Mrev 5′-TTGGGTGTCCATAATTGCCCCTCGAGCATTGTT-3′.SoyA267Mrev 5′-TTGGGTGTCCATAATTGCCCCTCGAGCATTGTT-3 ′.

Полужирным шрифтом с подчеркиванием выделены нуклеотидные замены, обеспечивающие мутацию Ala267Met.Nucleotide substitutions providing the Ala267Met mutation are highlighted 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°С и затем проводили реакцию ПЦР по следующей программе: 1-я стадия - 95°С, 60 с; 2-стадия - 56°С, 60 с и 3-я стадия - 72°С, 2 мин, всего 25-35 циклов. После этого реакционную смесь выдерживали еще 10 мин при 72°С. 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 I):The reaction mixture for PCR had the following composition (table I):

Таблица 1Table 1 Условия проведения полимеразной цепной реакции (ПЦР)Polymerase Chain Reaction (PCR) Conditions 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 + SoyA267Mrev и 2) SoyA267Mfor + T7Rev. В качестве матрицы использовали плазмиду pSoyFDH. Полученные продукты ПНР, 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 + SoyA267Mrev and 2) SoyA267Mfor + T7Rev. Plasmid pSoyFDH was used as a matrix. The resulting PNR products, fragment 1 and fragment 2 were purified using preparative agarose gel electrophoresis using appropriate kits, 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 Kpnl и EcoRI в течение двух часов при 37°С, затем инкубировали рестрикционную смесь для инактивации рестриктаз в течение 20 минут при 65°С (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 специального набора, например GeneJet Gel Extraction Kit (Fermentas, Литва), и легировали 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 Kpnl and EcoRI for two hours at 37 ° C, then the restriction mixture was incubated to restrict restriction enzymes for 20 minutes at 65 ° C (restriction enzymes and buffer solutions from Fermentas (Lithuania were used) )). 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 a special kit, for example, GeneJet Gel Extraction Kit (Fermentas, Lithuania), and doped 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 G. max wild-type.

Полученной после лигирования реакционной смесью трансформировали клетки Е. coli TG1 (генотип supE hsdΔ5 thi Δ(lac-proAB) F′[traD36 proAB+ lacq lacZΔM15]) и выращивали в течение ночи при 37°С на твердой агаризованной среде LB, содержащей ампициллин в концентрации 100 мкг/мл (плазмида pSoyFDH содержит ген устойчивости к ампициллину).The ligation reaction mixture transformed E. coli TG1 cells (genotype supE hsdΔ5 thi Δ (lac-proAB) F ′ [traD36 proAB + lac q lacZΔM15]) and grown overnight at 37 ° C on LB solid agar 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°С 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 плазмидной ДНК в Центре коллективного пользования «Геном» (Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН). В результате из 5 выделенных плазмид все 5 содержали только требуемую замену Ala267Met. Таким образом, была получена плазмида pSoyFDH_A267M, которая обеспечивала получение новой формиатдегидрогеназы SoyFDH Ala267Met с заменой Ala267Met.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, plasmid DNA was sequenced at the Genome Collective Use Center (VA Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences). As a result, out of 5 isolated plasmids, all 5 contained only the required Ala267Met replacement. Thus, the plasmid pSoyFDH_A267M was obtained, which provided the production of the new formate dehydrogenase SoyFDH Ala267Met with the replacement of Ala267Met.

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_A267M, высевали на чашки Петри с агаризованной средой, содержащей ампициллин (150 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_A267M, seeded on Petri dishes with agar medium containing ampicillin (150 μg / ml) and chloramphenicol (25 μg / ml) and cultured (see below).

Пример 2Example 2

Изучение температурной стабильности мутантной формиатдегидрогеназы SoyFDH с заменой Ala267Met и фермента дикого типа.Study of the temperature stability of the mutant SoyFDH formate dehydrogenase with the replacement of Ala267Met and the wild-type enzyme.

Для точной оценки эффекта изменения температурной стабильности за счет введенных замен мутантный фермент SoyFDH Ala267Met и формиатдегидрогеназу дикого типа выделяли в высокоочищенном состоянии и определяли зависимость остаточной активности от времени инкубации при 52, 54 и 56°С.To accurately assess the effect of changes in temperature stability due to the introduced substitutions, the mutant enzyme SoyFDH Ala267Met and wild-type formate dehydrogenase were isolated in a highly purified state and the dependence of the residual activity on the incubation time at 52, 54, and 56 ° C was determined.

Методика получения высокоочищенных препаратов была одинакова как для мутантной SoyFDH Ala267Met, так и для фермента дикого типа.The procedure for obtaining highly purified preparations was the same for both the mutant SoyFDH Ala267Met and the wild-type enzyme.

Экспрессию SoyFDH дикого типа и ее мутантов проводили в клетках E.coli BL21 (DE3) CodonPlus/pLysS. Для приготовления посевного материала с чашки отбирали единичную колонию и культивировали в течение 7-9 ч при 30°С и 180 об/мин до достижения величины поглощения на длине волны 600 нм А600≈0,6-0,8 в 5 мл среды 2YT (дрожжевой экстракт 10 г/л, бактотриптон 16 г/л, хлорид натрия 5 г/л, рН 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°С 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°С 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°С и после удаления культуральной жидкости клетки ресуспендировали в 0,1 М натрий-фосфатном буфере, рН 8,0 в соотношении 1:4 (масс.). Полученную суспензию замораживали и хранили при -20°С.The 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 at 600 nm was reached, 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 мутантной SoyFDH Ala267Met и фермента дикого типа 20% суспензию клеток в 0,1 М натрий-фосфатном буфере, рН 8,0 подвергали двум циклам заморозки-разморозки, и затем клетки разрушали с использованием ультразвукового дезинтегратора «Branson Sonifier 25 О» (Германия) при постоянном охлаждении. Осадок удаляли центрифугированием на центрифуге «Eppendorf 5804 R» (11000 об/мин, 30 мин).To isolate the mutant SoyFDH Ala267Met and the wild-type enzyme, a 20% suspension of cells in 0.1 M sodium phosphate buffer, pH 8.0 was subjected to two freeze-thaw cycles, and then the cells were destroyed using a Branson Sonifier 25 O ultrasonic disintegrator (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 0,1М фосфатном буфере, рН 7,0 (буфера А). Полученный супернатант использовали для гидрофобной хроматографии на Phenyl Sepharose Fast Flow (Pharmacia Biotech) в нисходящем градиенте 45-0% концентрации сульфата аммония в буфере А и обессоливание на колонке с Сефадекс G-25 в том же буфере. Контроль чистоты полученных препаратов осуществляли с ипользованием аналитического электрофореза в 12% полиакриламидном геле в присутствии 0,1% додецильсульфата натрия на приборе для электрофореза MiniProtean II фирмы «BioRad».For purification, we used a modified method 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 12% polyacrylamide gel in the presence of 0.1% sodium dodecyl sulfate on a MiniProtean II electrophoresis apparatus from BioRad.

Активность ФДГ определяли спектрофотометрически по накоплению NADH на длине волны 340 нм (ε340=6220 М-1см-1) на спектрофотометре «Schimadzu UV 1800 PC» при 30°С в 0,1 М натрий-фосфатном буфере, рН 7,0. Концентрация формиата натрия и NAD+ в кювете составляла 0,6 М и 0,2 мг/мл соответственно.FDH activity was determined spectrophotometrically from the accumulation of NADH at a wavelength of 340 nm (ε 340 = 6220 M -1 cm -1 ) on a Schimadzu UV 1800 PC spectrophotometer 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.

Термостабильность фермента измеряли в 0,1 М натрий-фосфатном буфере, рН 7,0. Для каждого эксперимента готовили серию из пластиковых пробирок объемом 0,5 мл по 100 мкл раствора фермента (0,2 мг/мл) в каждой. Пробирки помещали в предварительно прогретый до необходимой температуры водный термостат (52-56°С, точность термостатирования ±0,1°С). В определенные моменты времени отбирали по одной пробирке и переносили в лед на 5 мин, после чего пробирку центрифугировали в течение 3 мин при 12000 об/мин на центрифуге «Eppendorf 5415D». Остаточную активность ФДГ измеряли, как описано выше. Константу скорости термоинактивации km определяли как тангенс угла наклона прямой из графика зависимости натурального логарифма величины остаточной активности от времени (полулогарифмические координаты ln(A/A0)-t) методом линейной регрессии, используя программу «Origin Pro 8.5».Thermostability of the enzyme was measured in 0.1 M sodium phosphate buffer, pH 7.0. For each experiment, a series of 0.5 ml plastic tubes of 100 μl of an enzyme solution (0.2 mg / ml) in each was prepared. The tubes were placed in a water thermostat preheated to the required temperature (52-56 ° С, thermostating accuracy ± 0.1 ° С). At certain points in time, one tube was taken and transferred to ice for 5 min, after which the tube was centrifuged for 3 min at 12,000 rpm on an Eppendorf 5415D centrifuge. The residual activity of FDG was measured as described above. The thermal inactivation rate constant km was determined as the slope of the straight line from the graph of the natural logarithm of the residual activity versus time (semi-logarithmic coordinates ln (A / A 0 ) -t) by linear regression using the Origin Pro 8.5 program.

В качестве параметра, характеризующего термостабильность, использовали константу скорости процесса термоинактивации. Результаты представлены в таблице 2. Как следует из таблицы 2, введение мутации Ala267Met повышает стабильность формиатдегидрогеназы из сои в 4,9, 3,0 и 2,5 раз при температурах 52, 54 и 56°С соответственно.As a parameter characterizing thermal stability, the rate constant of the thermal inactivation process was used. The results are presented in table 2. As follows from table 2, the introduction of the Ala267Met mutation increases the stability of formate dehydrogenase from soybeans by 4.9, 3.0 and 2.5 times at temperatures of 52, 54 and 56 ° C, respectively.

Пример 3Example 3

Получение мутантной растительной формиатдегидрогеназы, в которой остаток А1а267 заменен на остаток Met, а остаток 11е272 заменен на остаток Val.Obtaining a mutant plant formate dehydrogenase in which the residue A1a267 is replaced by the residue Met and the residue 11e272 is replaced by the residue Val.

Данный пример идентичен примеру 1 за исключением того, что в качестве матрицы для проведения направленного мутагенеза использовали плазмиду pSoyFDH_A267M (получение см. в примере 1), а в качестве прямого и обратного праймеров, обеспечивающих введение замены Ile272Val, использовали следующие дезоксирибоолигонуклеотиды:This example is identical to example 1 except that the plasmid pSoyFDH_A267M (for the preparation see example 1) was used as a template for targeted mutagenesis, and the following deoxyribo oligonucleotides were used as direct and reverse primers for the introduction of the Ile272Val substitution:

Soy_I272Vfor 5′-ACCCAAGCAGTTGCAGATGCTTGCTCCAGT-3′Soy_I272Vfor 5′-ACCCAAGCA GTT GCAGATGCTTGCTCCAGT-3 ′

Soy_I272Vrev 5′-AAGCATCTGCAACTGCTTGGGTGTCCATAATTGC-3′Soy_I272Vrev 5′-AAGCATCTGC AAC TGCTTGGGTGTCCATAATTGC-3 ′

Полужирным шрифтом с подчеркиванием выделены нуклеотидные замены, обеспечивающие мутацию Ile272Val.Nucleotide substitutions providing the Ile272Val mutation are highlighted in bold with underline.

Плазмида pSoyFDH с нуклеотидными заменами, обеспечивающими в гене фермента мутации Ala267Met и Ile272Val, получила название pSoyFDH_(A267M,I272V).The plasmid pSoyFDH with nucleotide substitutions providing the Ala267Met and Ile272Val mutations in the gene of the enzyme was called pSoyFDH_ (A267M, I272V).

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_(A267M,I272V), высевали на чашки Петри с агаризованной средой, содержащей ампициллин (150 мкг/мл) и хлорамфеникол (25 мкг/мл) и проводили их культивирование (см. выше).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_ (A267M, I272V), seeded on Petri dishes with agar medium containing ampicillin (150 μg / ml) and chloramphenicol (25 μg / ml) and cultured (see above).

Пример 4Example 4

Изучение температурной стабильности мутантной формиатдегидрогеназы SoyFDH с заменами Ala267Met и Ile272Val и фермента дикого типа.Study of the temperature stability of the mutant SoyFDH formate dehydrogenase with substitutions of Ala267Met and Ile272Val and the wild-type enzyme.

Для точной оценки эффекта изменения температурной стабильности за счет введенных замен мутантный фермент SoyFDH (Ala267Met, Ile272Val) и формиатдегидрогеназу дикого типа выделяли в высокоочищенном состоянии и определяли зависимость остаточной активности от времени инкубации при 52, 54 и 56°С.To accurately assess the effect of changes in temperature stability due to the introduced substitutions, the mutant enzyme SoyFDH (Ala267Met, Ile272Val) and wild-type formate dehydrogenase were isolated in a highly purified state and the dependence of the residual activity on incubation time at 52, 54, and 56 ° С was determined.

Культивирование клеток, содержащих плазмиду pSoyFDH_(A267M, I272V), проводили согласно методике, описанной в примере 2.The cultivation of cells containing the plasmid pSoyFDH_ (A267M, I272V) was carried out according to the procedure described in example 2.

Выделение, очистку, а также измерение активности и термостабильности мутантной формы формиатдегидрогеназы из сои SoyFDH (Ala267Met, Ile272Val) проводили согласно методикам, описанным в примере 2.Isolation, purification, as well as measurement of the activity and thermal stability of the mutant form of formate dehydrogenase from SoyFDH soybean (Ala267Met, Ile272Val) was carried out according to the methods described in example 2.

В качестве параметра, характеризующего термостабильность, использовали константу скорости процесса термоинактивации. Результаты представлены в таблице 2. Как следует из таблицы 2, введение мутаций (Ala267Met, Ile272Val) повышает стабильность формиатдегидрогеназы из сои в 15, 8 и 5,6 раз при температурах 52, 54 и 56°С соответственно.As a parameter characterizing thermal stability, the rate constant of the thermal inactivation process was used. The results are presented in table 2. As follows from table 2, the introduction of mutations (Ala267Met, Ile272Val) increases the stability of formate dehydrogenase from soybeans by 15, 8 and 5.6 times at temperatures of 52, 54 and 56 ° C, respectively.

Таблица 2table 2 Константы скорости термоинактивации формиатдегидрогеназы из сои дикого типа SoyFDH, а также мутантных форм SoyFDH Ala267Met и SoyFDH (Ala267Met, Ile272Val)Thermal inactivation rate constants of formate dehydrogenase from wild-type soybean SoyFDH, as well as mutant forms SoyFDH Ala267Met and SoyFDH (Ala267Met, Ile272Val) Форма ферментаEnzyme form температураtemperature 5252 5454 5656 kin, мин-1 k in , min -1 kin(wt)/kin(mut)k in (wt) / k in (mut) kin, мин-1 k in , min -1 kin(wt)/kin(mut)k in (wt) / k in (mut) km, мин-1 km, min -1 kin(wt)/kin(mut)k in (wt) / k in ( mut) SoyFDH дикого типаWild type soyfdh (3,0±0,1)*10-2 (3.0 ± 0.1) * 10 -2 1one (5,3±0,2)*10-2 (5.3 ± 0.2) * 10 -2 1one (12,8±0,2)*10-2 (12.8 ± 0.2) * 10 -2 SoyFDH Ala267MetSoyFDH Ala267Met (0,63±0,02)*10-2 (0.63 ± 0.02) * 10 -2 4,94.9 (1,78±0,04)*10-2 (1.78 ± 0.04) * 10 -2 3,03.0 (5,16±0,07)*10-2 (5.16 ± 0.07) * 10 -2 2,52,5 SoyFDH (Ala267Met, Ile272Val)SoyFDH (Ala267Met, Ile272Val) (0,21±0,01)*10-2 (0.21 ± 0.01) * 10 -2 15fifteen (0,65±0,01)*10-2 (0.65 ± 0.01) * 10 -2 88 (2,26±0,08)*10-2 (2.26 ± 0.08) * 10 -2 5,65,6

Claims (2)

1. Мутантная растительная формиатдегидрогеназа с повышенной температурной стабильностью, характеризующаяся аминокислотной последовательностью, соответствующей аминокислотной последовательности формиатдегидрогеназы из Glycine max (SEQ_ID №1), в которой остаток аланина в положении 267 заменен остатком метионина (SEQ_ID №2).1. Mutant plant formate dehydrogenase with increased temperature stability, characterized by an amino acid sequence corresponding to the amino acid sequence of formate dehydrogenase from Glycine max (SEQ_ID No. 1), in which the alanine residue at position 267 is replaced by a methionine residue (SEQ_ID No. 2). 2. Мутантная растительная формиатдегидрогеназа с повышенной температурной стабильностью, характеризующаяся аминокислотной последовательностью, соответствующей аминокислотной последовательности формиатдегидрогеназы из Glycine max (SEQ_ID №1), в которой остаток аланина в положении 267 заменен остатком метионина, а остаток изолейцина в положении 272 заменен остатком валина (SEQ_ID №3). 2. Mutant plant formate dehydrogenase with increased temperature stability, characterized by the amino acid sequence corresponding to the amino acid sequence of formate dehydrogenase from Glycine max (SEQ_ID No. 1), in which the alanine residue at position 267 is replaced by a methionine residue, and the isoleucine residue at position 272 is replaced by a valine residue (SEQ_ID No. 3).
RU2014113596/10A 2014-04-08 2014-04-08 Mutant plant formate dehydrogenase (versions) RU2557299C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014113596/10A RU2557299C1 (en) 2014-04-08 2014-04-08 Mutant plant formate dehydrogenase (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014113596/10A RU2557299C1 (en) 2014-04-08 2014-04-08 Mutant plant formate dehydrogenase (versions)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2557299C1 true RU2557299C1 (en) 2015-07-20

Family

ID=53611775

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014113596/10A RU2557299C1 (en) 2014-04-08 2014-04-08 Mutant plant formate dehydrogenase (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2557299C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110408604A (en) * 2019-08-14 2019-11-05 华东理工大学 The formic dehydrogenase mutant that substrate affinity and coenzyme affinity improve

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
А.А.АЛЕКСЕЕВА Рекомбинантная формиатдегидрогеназа из сои Glycine max: белковая инженерия и структурные исследования. Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук, Москва, 2011. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110408604A (en) * 2019-08-14 2019-11-05 华东理工大学 The formic dehydrogenase mutant that substrate affinity and coenzyme affinity improve
CN110408604B (en) * 2019-08-14 2020-11-27 华东理工大学 Formate dehydrogenase mutant with improved substrate affinity and coenzyme affinity

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112852790B (en) Plant nitrilase chimeric enzyme mutant, coding gene and application thereof
Pometun et al. Comparison of thermal stability of new formate dehydrogenases by differential scanning calorimetry
WO2021050371A1 (en) Biotin synthases for efficient production of biotin
RU2557299C1 (en) Mutant plant formate dehydrogenase (versions)
JP5660271B2 (en) Glucose dehydrogenase and method for producing the same
CN112175980A (en) Method for improving activity of polymerase large fragment by site-directed mutagenesis and application
JP5735772B2 (en) Ergothionase and method for quantification of ergothioneine
RU2522819C2 (en) Mutant formate dehydrogenase (versions)
RU2545966C1 (en) Mutant formate dehydrogenase (versions)
CN110139934A (en) Hydroxypropanone- and its application are converted by methyl-glyoxal using new enzyme
KR20190095429A (en) Glutathione reductase
KR100844358B1 (en) Mutant DNA Polymerases and Their Genes
Wang et al. Heterologous expression and characterization of recombinant glycerol dehydratase from Klebsiella pneumoniae in Escherichia coli
Pometun et al. Highly Stable Mutant Bacterial Formate Dehydrogenase with Improved Catalytic Properties
CN107109357A (en) The microorganism of O succinyl homoserines or butanedioic acid can be produced and butanedioic acid or O succinyl homoserine methods is produced with it
KR101778878B1 (en) Highly active GABA-producing glutamate decarboxylase from Bacteroides sp. and use thereof
RU2412998C1 (en) Mutant oxidase of d-amino acids
KR102031886B1 (en) Novel promoter and uses thereof
Tasanapak et al. Influence of Acetobacter pasteurianus SKU1108 aspS gene expression on Escherichia coli morphology
RU2803295C1 (en) RECOMBINANT PLASMIDE pNhyDAAO PROVIDING SYNTHESIS OF D-AMINO ACID OXIDASE OF NATRONOSPORANGIUM HYDROLYTICUM ACPA39 (NhyDAAO) BACTERIA IN ESCHERICHIA COLI CELLS AND RECOMBINANT STRAIN ESCHERICHIA COLI BL21(DE3)/pNhyDAAO VKPM V-143 37 - NhyDAAO PRODUCER
US20020119506A1 (en) Genes encoding UMP kinase, methods for purifying UMP kinase and methods of characterizing UMP kinase
CN112011524B (en) 5-amino-acetopropionic acid synthetase mutant and host cell and application thereof
JP4415247B2 (en) Novel glycerol kinase, gene and method for producing glycerol kinase using the gene
Pometun et al. NAD+-Dependent Formate Dehydrogenase from Themotolerant Yeast Ogataea parapolymorpha: Properties and Protein Engineering of the N-Terminal Sequence
EA020184B1 (en) PROTEIN HAVING A ROLE IN THE DEGRADATION OF A SUBSTRATE THAT IS n-ALKANE OR A FUNCTIONAL FRAGMENT THEREOF, NUCLEIC ACID MOLECULE, CODING THEM, CHIMERIC GENE, VECTOR AND MICROORGANISM COMPRISING SAID MOLECULE, AND METHOD OF DEGRADATING SAID n-ALKANE

Legal Events

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

Effective date: 20170409