The roles of conserved amino acid residues (Va1329-Ala330-Asn331-Glu332), constituting an extra sugar-binding space (ESBS) of Thermus maltogenic amylase (ThMA), were investigated by combinatorial saturation mutagenesis. Various ThMA mutants were firstly screened on the basis of starch hydrolyzing activity and their enzymatic properties were characterized in detail. Most of the ThMA variants showed remarkable decreases in their hydrolyzing activity, but their specificity against various substrates could be altered by mutagenesis. Unexpectedly, mutant H-16 (Gly-Leu-Val-Tyr) showed almost identical hydrolyzing and transglycosylation activities to wild type, whereas K-33 (Ser-Gly-Asp-Glu) showed an extremely low transglycosylation activity. Interestingly, K-33 produced glucose, maltose, and acarviosine from acarbose, whereas ThMA hydrolyzed acarbose to only glucose and acarviosine-glucose. These results propose that the substrate specificity, hydrolysis pattern, and transglycosylation activity of ThMA can be modulated by combinatorial mutations near the ESBS.
Thermotoga neapolitana $\beta$-glucosidase (BglA) was subjected to site-directed mutagenesis in an effort to increase its ability to synthesize arbutin derivatives by transglycosylation. The transglycosylation reaction of the wild-type enzyme displays major ${\beta}(1,6)$ and minor ${\beta}(1,3)$ or ${\beta}(1,4)$ regioselectivity. The three mutants, N291T, F412S, and N291T/F412S, increased the ratio of transglycosylation/hydrolysis compared with the wild-type enzyme when pNPG and arbutin were used as a substrate and an acceptor, respectively. N291T and N219T/F412S had transglycosylation/hydrolysis ratios about 3- and 8-fold higher, respectively, than that of the wild-type enzyme. This is due to the decreased hydrolytic activity of the mutant rather than increased transglycosylation activity. Interestingly, N291T showed altered regioselectivity, as well as increased transglycosylation products. TLC analysis of the transglycosylation products indicated that N291T retained its ${\beta}(1,3)$ regioselectivity, but lost its ${\beta}(1,4)$ and ${\beta}(1,6)$ regioselectivity. The altered regioselectivity of N291T using two other acceptors, esculin and salicin, was also confirmed by TLC. The major transglycosylation products of the wild type and N291T mutant were clearly different. This result suggests that Asn-291 is highly involved in the catalytic mechanism by controlling the transglycosylation reaction.
수계에서 전분 가수분해효소의 transglycosylation반응을 이용하여 배당체(glycoside)를 합성하였다. Glycosyl donor인 starch와 glycosyl acceptor인 benzylalcohol을 반응기질로 선택하였다. 시판되는 9종의 당가수분해효소의 transglycosylation활성을 조사한 결과 glucose와 한 종류의 glycoside만을 생산하는 amyloglucosidase(from Rhizopus sp.)를 반응효소로 선정하였다. Amyloglucosidase에 의해 합성된 배당체는 여러 가지 분석을 통해 glucose의 1번 OH기에 benzylalcohol이 ${alpha}$형태로 결합된 benzylalcohol-${alpha}$-glucoside(BG)임을 확인하였다. 수계에서 이 효소에 의한 transglycosylation 반응의 최적조건은 starch 50mg/$m\ell$, benzylalcohol 50 mg/ml, 온도 45$^{\circ}C$, 효소량 10 unit/ml, pH 5.0, 반응시간 32시간이었으며 합성된 BG는 amyloglucosidase에 의해서는 분해되지 않았고 ${alpha}$-glucosidase에 의해 glucose와 benzylalcohol로 가수분해되었다.
Two conserved amino acid residues in the extra sugar-binding space near the catalytic site of Thermus maltogenic amylase (ThMA) were analyzed for their role in the hydrolysis and transglycosylation activity of the enzyme. Site-directed mutagenesis was carried out by replacing N33l with a lysine (N331K), E332 with a histidine (E332H), or by replacing both residues at the same time (N331K/E332H). The measured $K_m$ values indicated that affinities toward all substrates tested, including starch, pullulan, ${\beta}-cyclomaltodextrin$, and acarbose, were lower in all the mutants compared to that of wild-type ThMA, leading to reduced hydrolysis activity. In addition, the lower ratio of transglycosylation to hydrolysis in the mutants compared to that in the wild-type ThMA indicated that these mutants preferred hydrolysis to the transglycosylation reaction. These results demonstrated that the conserved dipeptide at 331 and 332 of ThMA is directly involved in the formation and accumulation of transfer products by accommodating acceptor sugar molecules.
Enzymatic synthesis of glucosyl-sugar alcohols using various transglycosylating enzymes, such as cyclodextrin glucanotransferase (CGTase), ${\alpha}$-amylase, ${\alpha}$-glucosidase, and pullulanase was investigated using various sugar alcohols, such as sorbitol, xylitol, inositol, maltitol, and lactitol as glucosyl acceptors. CGTase showed the highest transglycosylating activity to sugar alcohols compared to other transglycosylating enzymes, and inositol and maltitol were the most suitable glucosyl acceptors. Soluble starch, extruded starch, cyclodextrins, and maltooligosaccharides were also identified to be adequate glucosyl donors for transglycosylation reaction of CGTase to sugar alcohols. The synthesis of glucosyl-maltitol in the reaction system using extruded starch as the glucosyl donor and maltitol as the glucosyl acceptor showed the best results showing the highest transglycosylation yield. The transglycosylation products were purified by activated carbon column chromatography with ethanol gradient elution. Chemical structures of above transglucosylated products were analyzed by nuclear magnetic resonance spectroscopy, and two products were identified to be maltotritol and maltotetraitol, in which one or two glucose molecules attached to the parent maltitol molecule by a ${\alpha}$-l,4-glucosidic bond, respectively.
For biotechnological production of high-valued ${\beta}-{\text\tiny{D}}$-hexyl glucoside, the catalytic properties of Hanseniaspora thailandica BC9 ${\beta}$-glucosidase purified from the periplasmic fraction were studied, and the transglycosylation activity for the production of ${\beta}-{\text\tiny{D}}$-hexyl glucoside was optimized. The constitutive BC9 ${\beta}$-glucosidase exhibited maximum specific activity at pH 6.0 and $40^{\circ}C$, and the activity of BC9 ${\beta}$-glucosidase was not significantly inhibited by various metal ions. BC9 ${\beta}$-glucosidase did not show a significant activity of cellobiose hydrolysis, but the activity was rather enhanced in the presence of sucrose and medium-chain alcohols. BC9 ${\beta}$-glucosidase exhibited enhanced production of ${\beta}-{\text\tiny{D}}$-hexyl glucoside in the presence of DMSO, and 62% of ${\beta}-{\text\tiny{D}}$-hexyl glucoside conversion was recorded in 4 h in the presence of 5% 1-hexanol and 15% DMSO.
The Val289 residue in the $\alpha$-amylase of Bacillus amyloliquefaciens, which is equivalent to the Ala289 and Val286 residues in the $\alpha$-amylases of B. stearothermophilus and B. licheniformis, respectively, was studied by site-directed mutagenesis. This residue was substituted with 10 different amino acids by random substitution of the Val codon. In these mutant $\alpha$-amylases, Val289 was substituted with Ile, Tyr, Phe, Leu, Gly, Pro, Ser, Arg, Glu, and Asp. Compared with the wild-type $\alpha$-amylase, the mutant $\alpha$-amylase Val289Ile showed 20% more hydrolytic activity, whereas Val289Phe and Val289Leu showed 50% lesser activity. On the other hand, the mutant $\alpha$-amylases Val289Gly, Val289Tyr, Val289Ser, and Val289Pro showed less than 15% activity. The substitution of Val289 with Arg, Asp, or Glu resulted in complete loss of the $\alpha$-amylase activity. Interestingly, the mutant $\alpha$-amylase Val289Tyr had acquired a transglycosylation activity, which resulted in the change of product profile of the reaction, giving a longer oligosaccharide.
A carboxymethyl-cellulase (CMCase) was purified from the culture supernatant of Bacillus sp. KD1014 by ultrafiltration, ammonium sulfate precipitation, and a series of chromatography on QAE-Sephadex A-50, hydroxylapatite and Sephadex G-75. The purified CMCase was a single protein of 32 kDa, showed an optimum activity at $60^{\circ}C$ and pH 6.0, and had a half-life of 23 min at $70^{\circ}C$. The enzyme activity was not influenced by metal ions such as $Mg^{2+},\;Fe^{3+},\;K^+,\;Zn^{2+}$, and $Cu^{2+}$ at a concentration of 1.0 mM, partially inhibited by $Mn^{2+}$ and $Ag^+$, and significantly inhibited by pentachlorophenol (PCP). The purified enzyme showed a 3.9-times higher activity on lichenan than on CMC, but hardly cleaved xylan, starch, avicel, laminarin, filter paper and levan. The results of activity staining of the purified enzyme separated by native and denaturing gel electrophoresis suggested that the CMCase might exist in dimeric, oligomeric or aggregated form as well as in monomeric form. The enzymatic cleavage products from cellotetraose indicated that the CMCase possessed transglycosylation activity.
Kim, Myo-Deok;Jung, Dong-Hyun;Seo, Dong-Ho;Jung, Jong-Hyun;Seo, Ean-Jeong;Baek, Nam-In;Yoo, Sang-Ho;Park, Cheon-Seok
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제26권11호
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pp.1845-1854
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2016
The transglycosylation activity of amylosucrase (ASase) has received significant attention owing to its use of an inexpensive donor, sucrose, and broad acceptor specificity, including glycone and aglycone compounds. The transglycosylation reaction of recombinant ASase from Deinococcus radiopugnans (DRpAS) was investigated using various phenolic compounds, and quercetin-3-O-rutinoside (rutin) was found to be the most suitable acceptor molecule used by DRpAS. Two amino acid residues in DRpAS variants (DRpAS Q299K and DRpAS Q299R), assumed to be involved in acceptor binding, were constructed by site-directed mutagenesis. Intriguingly, DRpAS Q299K and DRpAS Q299R produced 10-fold and 4-fold higher levels of rutin transglycosylation product than did the wild-type (WT) DRpAS, respectively. According to in silico molecular docking analysis, the lysine residue at position 299 in the mutants enables rutin to more easily position inside the active pocket of the mutant enzyme than in that of the WT, due to conformational changes in loop 4.
A simple sequence of membrane concentration and DEAE-Cellulose chromatography has been optimized to give a purified dextransucrase from Leuconostoc mesenteroides B-512FMCM with the highest specific activity (248.8 IU/mg protein) ever reported in high yield (overall 88.7%) for dextransucrase. When there was no sucrose in the dextransucrase and the dextran reaction digest, the dextransucrase hydrolyzed glucose from dextran. The glucose was transferred to the other glucoses from dextran and formed isomaltose and isomaltodextrin. The transglycosylation efficiency of glucose from dextran was much higher with acceptors. The dextransucrase can be used for the production of various kinds (or structures) of oligosaccharides using dextran and various acceptors with almost 100% theoretical yield.
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