Structural and dynamic evolution of the amphipathic N-terminus diversifies enzyme thermostability in the glycoside hydrolase family 12

文献情報

出版日 2016-07-11
DOI 10.1039/C6CP02998A
インパクトファクター 3.676
著者

Xukai Jiang, Guanjun Chen


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要旨

Understanding the molecular mechanism underlying protein thermostability is central to the process of efficiently engineering thermostable cellulases, which can provide potential advantages in accelerating the conversion of biomass into clean biofuels. Here, we explored the general factors that diversify enzyme thermostability in the glycoside hydrolase family 12 (GH12) using comparative molecular dynamics (MD) simulations coupled to a bioinformatics approach. The results indicated that protein stability is not equally distributed over the whole structure: the N-terminus is the most thermal-sensitive region of the enzymes with a β-sandwich architecture and it tends to lose its secondary structure during the course of protein unfolding. Furthermore, we found that the total interaction energy within the N-terminus is appreciably correlated with enzyme thermostability. Interestingly, the internal interactions within the N-terminus are organized in a special amphipathic pattern in which a hydrophobic packing cluster and a hydrogen bonding cluster lie at the two ends of the N-terminus. Finally, bioinformatics analysis demonstrated that the amphipathic pattern is highly conserved in GH12 and besides that, the evolution of the amino acids in the N-terminal region is an inherent mechanism underlying the diversity of enzyme thermostability. Taken together, our results demonstrate that the N-terminus is generally the structure that determines enzyme thermostability in GH12, and thereby it is also an ideal engineering target. The dynameomics study of a protein family can give a general view of protein functions, which will offer a wide range of applications in future protein engineering.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

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Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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