Protein engineering studies on Bacillus thermocatenulatus lipase

Abstract

Bacillus thermocatenulatus lipazı (BTL2) yüksek tribütirin seçiciliği olan thermokararlı bir lipazdır ve yapısı aktif- monomer (PDB ID: 2w22) ve inaktif-dimer (PDB ID: 1KU0) olarak atomistik detayda çözülmüştür. Burada, BTL2'nin protein mühendisliği ile ilgili iki vaka çalışması rapor edilmiştir. Protein mühendisliğinin rutin metotlarından olan yönlendirilmiş mutagenez, heterolog protein ekpressiyonu ve purifikasyon, bu tezdeki BTL2 ve mutantları için yapılmıştır. İlk olarak, kısa zincir boyundaki sübstratlara karşı olan aktivasyon bariyerini düşürmek için BTL2'nin akılcı dizaynı gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar L360F mutantının BTL2'deki aktivasyonu bariyerini C4 için düşüren ve C8 için yükselten bir mutasyon olduğunu doğrulamıştır. İkinci olarak, yarı-akılcı dizayn kullanarak BTL2'nin kapak kısmında yer alan iki triptofan'nın (W212, W235) etkilerini incelemek için uygunlanmıştır. Özellikle W212A, thermokararlılık ve agregasyon açısından ciddi bir düşüş ve çinko toleransı da bir artış göstermiştir. Bu açıdan, BTL2'nin agregasyonun çinko bağlanma bölgesi üzerinden gerçekleştiğini ve W212 rezidüsünün bu mekanizma için sekonder ama elzem bir rolu olduğu öngörülmektedir.

Bacillus thermocatenulatus lipase (BTL2) is a thermostable enzyme with distinct tributyrin selectivity and currently two different resolved structures are publicly available representing the; a) active-monomer form (PDB ID: 2w22) and b) inactive-dimer form (PDB ID: 1KU0). Using the information gained from these two structures, here we report the resultsof two studies related to the protein engineering of BTL2 aiming to improve its chainlength selectivity and to assess the impact of the lid tryptophans. For both of these studies, the experimental approach was to generate specific BTL2 mutants for which site-directed mutagenesis, heterologous protein expression and purification methodologies were used.Inthe first study, a rational design of BTL2 was carried out to lower the activation barrier of hydrolysis of short chain substrates. The results indicate that the mutant L360F optimizes the physical and chemical interactions in BTL2 to lower the activation barrier for C4 and elevate it for C8 hydrolysis. For the second case, a semi-rational design was implemented to investigate the impacts of the two tryptophans (W212, W235) in the lid of BTL2. W235A affected tributyrin selectivity while W212A mutation is resulted in loss of the thermostability and aggregation tendency but also in the improvement of zinc tolerance in BTL2. For this, it is envisioned that the aggregation of BTL2 is mediated through a zinc domain and W212 is a secondary but vital residue for this action.