Attempts to change coenzyme specificity of nad+ dependent formate dehydrogenase from Candida metylica by rational design

Abstract

NAD+ bağımlı format dehidrojenaz (EC 1.2.1.2, FDH), D-spesifik 2-hidroksi asid dehidrojenaz superfamilyasına ait bir enzimdir. Evrimsel olarak yüksek oranda korunmuş gen yapısına sahip olan bu enzim çoğunlukla metilotrofik mayalarda ve bazı bitkilerle eksprese edilir. FDH enzimi metanol metabolizmasında ki son enzimdir ve format anyonunun oksidazyonununu katalize ederek karbondiokside dönüştürürken endüstriyel redoks kimyasında çok önemli olan NAD+' nın indirgenerek NADH' a dönüşmesini de gerçekleştirir.Koenzim rejenerasyon sisteminde, FDH enzimi indirgenmiş koenzim NADH rejenerasyonun gerçekleştirirken tek yönlü reaksiyonla optik olarak aktiv olan kiral moleküllerin üretilmesine de olanak sağlar. Redoks reaksiyonlarında doğada bulunan tüm FDH enzimlerinin koenzim olarak NAD+' ı NADP+' ye tercih etmesi, FDH'ın NADP+ bağlanabilmesinin ve NADPH' a indirgeyebilmesinin gereklililiğini ortaya çıkarmıştır.Bununla beraber, günümüzde, halan FDH enziminin koenzim spesifikliğinin moleküler temelleri tam olarak açıklanamamıştır. Şimdiye kadar yapılan denemeler ise de FDH'in koenzim spesifikliğini değiştirmeye yönelik genel bir yaklaşım ortaya koyamamıştır. Rasyonel dizayn, bir başka ifadeyle bu çalışmanında konusu olan yönlendirilmiş mutasyon analizi, bahsi gecen amaç için sıklıkla kullanılan yöntemlerden biridir.Bu çalışmada, cmFDH' enziminin NAD+ `olan koenzim spesifikliği, cmFDH geninde yapılacak tek ve çift mutasyonlar ile değiştirilerek NADP+' ye özel hale getirilmeye çalışılmaktadır. cmFDH enzimini koenzim spesifikliğini tek Aspartik asit195?Serin(D195S) ve çift Aspartik asit195 ? Serin + Tirosin196 ? Arjinin (D195S+Y196R) mutasyonlarını ile değiştirilirek NADP+ koenzimini kullanabilir hale getirilmesi amaçlandı.Bu çalışmada aday amino asitler, saccharomyces cerevisiae (sceFDH), candida boidinii (cbFDH) and pseudomonas sp. 101 (psFDH) kaynaklı format dehidrejenaz enzimlerinin yapılmış olan homoloji modellerinden faydalınarak tespit edildi. Bu çalışma ile ilk kez 195. ve 196. pozisyonda bulunan aspartik asit ve tirosin, serin ve arjinin ile yerdeğiştirilmiş oldu.

NAD+ dependent formate dehydrogenase (EC 1.2.1.2, FDH) belongs to the super family of D-specific 2-hydroxy acid dehydrogenase. Highly evolutionarily conserved FDH gene is expressed in mostly methylotrophic yeasts and several plants. NAD+ dependent FDH is the last enzyme in the metabolism of methanol and catalyzes the oxidation of formate anion into carbon dioxide concomitant with the reduction of NAD+ to NADH, which has a crucial importance in industrial redox chemistry.In the coenzyme regeneration system, it functions as a regenerator of reduced coenzyme-NADH and enables to produce optically active chiral compound by irriversible reaction. Due to all naturally available NAD+ dependent FDHs exhibit a high preference for NAD+ over NADP+ in the redox reactions and thus produce only NADH in the reaction, it would desirable to make FDH enable to bind NADP+ and reduce into NADPH.However, the molecular basis of the coenzyme specificity of FDHs enzyme is the fundamental challenging for molecular biologist. So far, general approach for changing the coenzyme specificity of FDHs has not been defined clearly. Today, rational design, namely site directed mutagenesis, which is the scope of this study is commonly applied method for this approach.In this study, it is aimed to introduce single and double mutations to change the substrate specifity of candida methylica formate dehdrogenase (cmFDH) to remove the absolute requirement for NAD+ over NADP+ shown by the wild type enzyme. CmFDH with its coenzyme specificty has been tried to change by indroducing a single Aspartic acid195?Serine (D195S) and double Aspartic acid195?Serine plus Tyrosine196?Arginine (D195S+Y196R) point mutations respectively.These candidate aminoacids were detected based on the previous results of homology remodeling of a NAD+ specific FDH from saccharomyces cerevisiae (sceFDH), candida boidinii (cbFDH) and pseudomonas sp. 101 (psFDH). Thus, by this study aspartic acid and tyrosine positioned at 195th and 196th aminoacid sequence of cmFDH respectively for the first time were replaced together with serine and arginine to alter the coenzyme specificity of NADP+.