Сравнительный анализ структурно-функциональных особенностей эндоглюканаз с разным температурным оптимумом действия

Целлюлазы, температурный оптимум которых сдвинут к экстремально высоким или низким значениям, представляют особый интерес, так как их применение позволяет более гибко регулировать технологические условия их промышленного использования. Тем не менее механизмы, объясняющие адаптации ферментов к предельным температурам, полностью не установлены. Целью проведенной работы являлось исследование методами биоинформатики зависимости структуры микробных эндоглюканаз от двух факторов – принадлежности продуцентов к разным таксономическим группам высшего ранга (бактерии, грибы, археи) и температурного оптимума их среды обитания (психро-, мезо- и термофилы). Ферменты, извлеченные из Uniprot и GenBank, анализировались с помощью попарного и множественного выравнивания последовательностей, попарного выравнивания пространственных структур и сравнения аминокислотных профилей. В результате показано, что последовательности кластеризуются в соответствии с систематикой продуцентов и не содержат паттернов, связанных с адаптациями к температурным условиям. В то же время аминокислотный профиль белков зависит также от температурных условий среды обитания микроорганизмов – частоты некоторых аминокислот (E, I, Y, D, Q) достоверно различаются у ферментов с разными температурными оптимумами. Также идентифицирована выборка ферментов с низкой идентичностью последовательностей, но с высоким сходством 3D-структур, включающая как ферменты из близких таксонов, но с разным термооптимумом, так и эндоглюканазы из микроорганизмов, далеких в систематическом отношении, но обитающих в сходных температурных условиях. Помимо прочего, представлено обсуждение возможных механизмов наблюдаемых различий между показателями идентичности разных структурных уровней белка.

1. Клесов А.А., Григораш С.Ю. Ферментативный гидролиз целлюлозы. Регуляторное влияние нерастворимого субстрата на эффективность ферментативной реакции // Биохимия. 1982. Т. 47. N 3. С. 409–418.

2. Singhania R.R., Adsul M., Pandey A., Patel A.K. Cellulases // Current developments in biotechnology and bioengineering / eds A. Pandey, S. Negi, C.R. Soccol. Elsevier, 2017. P. 73–101. DOI: 10.1016/B978-0-444-63662-1.00004-X.

3. Ahmed A., Bibi A. Fungal cellulase; production and applications: minireview // LIFE: International Journal of Health and Life-Sciences. 2018. Vol. 4, no. 1. P. 19–36. DOI: 10.20319/lijhls.2018.41.1936.

4. Magrey A., Sahay S., Gothalwal R. Cellulases for biofuel: a review // International Journal of Recent Trends in Science and Technology. 2018. P. 17–25. Available from: https://www.statperson.com/Journal/ScienceAndTechnology/Article/SpecialIssue/ACAEE_4.pdf [Accessed 17th June 2024].

5. Srivastava N., Srivastava M., Mishra P.K., Gupta V.K., Molina G., Rodriguez-Couto S., et al. Applications of fungal cellulases in biofuel production: advances and limitations // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018. Vol. 82. P. 2379–2386. DOI: 10.1016/j.rser.2017.08.074.

6. Chang W.H., Lai A.G. Mixed evolutionary origins of endogenous biomass-depolymerizing enzymes in animals // BMC Genomics. 2018. Vol. 19. P. 483. DOI: 10.1186/s12864-018-4861-0.

7. Thapa S., Mishra J., Arora N., Mishra P., Li H., O′Hair J., et al. Microbial cellulolytic enzymes: diversity and biotechnology with reference to lignocellulosic biomass degradation // Reviews in Environmental Science and Bio/Technology. 2020. Vol. 19. P. 621–648. DOI: 10.1007/s11157-020-09536-y.

8. Ajeje S.B., Hu Y., Song G., Peter S.B., Afful R.G., Sun F., et al. Thermostable cellulases / xylanases from thermophilic and hyperthermophilic microorganisms: current perspective // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2021. Vol. 9. P. 794304. DOI: 10.3389/fbioe.2021.794304.

9. Akram F., ul Haq I., Aqeel A., Ahmed Z., Shah F.I. Thermostable cellulases: structure, catalytic mechanisms, directed evolution and industrial implementations // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021. Vol. 151. P. 111597. DOI: 10.1016/j.rser.2021.111597.

10. Akram F., ul Haq I., Imran W., Mukhtar H. Insight perspectives of thermostable endoglucanases for bioethanol production: a review // Renewable Energy. 2018. Vol. 122. P. 225–238. DOI: 10.1016/j.renene.2018.01.095.

11. Cai L.-N., Xu S.-N., Lu T., Lin D.-Q., Yao S.-J. Salt-tolerant and thermostable mechanisms of an endoglucanase from marine Aspergillus niger // Bioresources and Bioprocessing. 2022. Vol. 9. P. 44. DOI: 10.1186/s40643-022-00533-3.

12. Kasana R.C., Gulati A. Cellulases from psychrophilic microorganisms: a review // Journal of Basic Microbiology. 2011. Vol. 51, no. 6. P. 572–579. DOI: 10.1002/jobm.201000385.

13. Chavan S., Shete A., Mirza Y., Dharne M.S. Investigation of cold-active and mesophilic cellulases: opportunities awaited // Biomass Conversion and Biorefinery. 2023. Vol. 13. P. 8829–8852. DOI: 10.1007/s13399-021-02047-y.

14. Gupta S.K., Kataki S., Chatterjee S., Prasad R.K., Datta S., Vairale M.G., et al. Cold adaptation in bacteria with special focus on cellulase production and its potential application // Journal of Cleaner Production. 2020. Vol. 258. P. 120351. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.120351.

15. Yunus G., Kuddus M. Cold-active microbial cellulase: novel approach to understand mechanism and its applications in food and beverages industry // Journal of Microbiology, Biotechnology and Food Sciences. 2021. Vol. 10, no. 4. P. 524–530. DOI: 10.15414/jmbfs.2021.10.4.524-530.

16. Yusof N.A., Hashim N.H.F., Bharudin I. Cold adaptation strategies and the potential of psychrophilic enzymes from the Antarctic yeast, Glaciozyma antarctica PI12 // Journal of Fungi. 2021. Vol. 7, no. 7. P. 528. DOI: 10.3390/jof7070528.

17. Öten A.M., Atak E., Karaca B.T., Fırtına S., Kutlu A. Discussing the roles of proline and glycine from the perspective of cold adaptation in lipases and cellulases // Biocatalysis and Biotransformation. 2023. Vol. 41, no. 4. P. 243–260. DOI: 10.1080/10242422.2022.2124111.

18. Waterhouse A., Bertoni M., Bienert S., Studer G., Tauriello G., Gumienny R., et al. SWISS-MODEL: homology modelling of protein structures and complexes // Nucleic Acids Research. 2018. Vol. 46, no. W1. P. W296–W303. DOI: 10.1093/nar/gky427.

19. Tamura K., Stecher G., Kumar S. MEGA11: molecular evolutionary genetics analysis version 11 // Molecular Biology and Evolution. 2021. Vol. 38, no. 7. P. 3022–3027. DOI: 10.1093/molbev/msab120.

20. Farias S.T., Bonato M.C.M. Preferred amino acids and thermostability // Genetics and Molecular Research. 2003. Vol. 2, no. 4. P. 383–393.