Glutantβase: a database for improving the rational design of glucose-tolerant β-glucosidases
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Glutantβase: um banco de dados para aprimorar o projeto racional de β-glicosidases tolerantes à glicose
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Resumo
As β-glicosidases são enzimas-chave utilizadas na produção de biocombustíveis de segunda geração. Elas atuam na última etapa da sacarificação da lignocelulose, convertendo celobiose em glicose. No entanto, a maioria das β-glicosidases é inibida por altas concentrações de glicose, o que torna essa etapa limitante para a produção industrial. Assim, as β-glicosidases têm sido alvo de diversos estudos com o objetivo de compreender o mecanismo de tolerância à glicose, a resistência ao pH e a resistência térmica para a construção de enzimas mais eficientes. Neste artigo, apresentamos um banco de dados de estruturas de β-glicosidase, denominado Glutantβase. Nosso banco de dados inclui 3842 sequências de β-glicosidase GH1 coletadas do UniProt. Modelamos as sequências por comparação e previmos características importantes na estrutura tridimensional de cada enzima. O Glutantβase fornece informações sobre aminoácidos catalíticos e conservados, resíduos da rede de coevolução, estrutura secundária da proteína e resíduos localizados no canal que guia para o sítio ativo. Também analisamos o impacto de mutações benéficas relatadas na literatura, previstas em posições análogas, para enzimas semelhantes. Sugerimos essas mutações com base em seis mutantes previamente descritos que apresentaram alta atividade catalítica, tolerância à glicose ou termoestabilidade (A404V, E96K, H184F, H228T, L441F e V174C). Em seguida, utilizamos acoplamento molecular para verificar o impacto das mutações sugeridas na afinidade da proteína e dos ligantes (substrato e produto). Nossos resultados sugerem que apenas as mutações baseadas no mutante H228T podem reduzir a afinidade pela glicose (produto) e aumentar a afinidade pela celobiose (substrato), o que indica um aumento na resistência à inibição pelo produto e está de acordo com resultados computacionais e experimentais previamente relatados na literatura. β-glicosidases mais resistentes são essenciais para a sacarificação em aplicações industriais. No entanto, β-glicosidases termoestáveis e tolerantes à glicose são raras, e seus mecanismos de tolerância à glicose parecem estar relacionados a múltiplos e complexos fatores. Reunimos aqui um conjunto de informações e fizemos previsões com o objetivo de fornecer uma ferramenta para apoiar o projeto racional de β-glicosidases mais eficientes. Esperamos que a Glutantβase possa ajudar a melhorar a produção de biocombustíveis de segunda geração. A Glutantβase está disponível em http://bioinfo.dcc.ufmg.br/glutantbase .
Abstract
Β-glucosidases are key enzymes used in second-generation biofuel production. They act in the last step of the lignocellulose saccharification, converting cellobiose in glucose. However, most of the β-glucosidases are inhibited by high glucose concentrations, which turns it a limiting step for industrial production. Thus, β-glucosidases have been targeted by several studies aiming to understand the mechanism of glucose tolerance, pH and thermal resistance for constructing more efficient enzymes. In this paper, we present a database of β-glucosidase structures, called Glutantβase. Our database includes 3842 GH1 β-glucosidase sequences collected from UniProt. We modeled the sequences by comparison and predicted important features in the 3D-structure of each enzyme. Glutantβase provides information about catalytic and conserved amino acids, residues of the coevolution network, protein secondary structure, and residues located in the channel that guides to the active site. We also analyzed the impact of beneficial mutations reported in the literature, predicted in analogous positions, for similar enzymes. We suggested these mutations based on six previously described mutants that showed high catalytic activity, glucose tolerance, or thermostability (A404V, E96K, H184F, H228T, L441F, and V174C). Then, we used molecular docking to verify the impact of the suggested mutations in the affinity of protein and ligands (substrate and product). Our results suggest that only mutations based on the H228T mutant can reduce the affinity for glucose (product) and increase affinity for cellobiose (substrate), which indicates an increment in the resistance to product inhibition and agrees with computational and experimental results previously reported in the literature. More resistant β-glucosidases are essential to saccharification in industrial applications. However, thermostable and glucose-tolerant β-glucosidases are rare, and their glucose tolerance mechanisms appear to be related to multiple and complex factors. We gather here, a set of information, and made predictions aiming to provide a tool for supporting the rational design of more efficient β-glucosidases. We hope that Glutantβase can help improve second-generation biofuel production. Glutantβase is available at http://bioinfo.dcc.ufmg.br/glutantbase.
Assunto
Base de dados, Beta-glucosidase, Glucose, Biologia computacional
Palavras-chave
β-Glucosidases, Biofuel, Rational design of enzymes, Glucose-tolerant, Thermostability, GH1
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https://link.springer.com/article/10.1186/s12860-020-00293-y