Comparative analysis of the structural and functional features of endoglucanases with different temperature optima

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Cellulases whose temperature optimum is shifted to extremely high or low values are of particular interest since they allow for greater flexibility in controlling the technological conditions of their industrial use. Nevertheless, the mechanisms that explain enzymatic adaptations to limiting temperatures are not fully established. The study was aimed at using bioinformatics methods to examine how the structure of microbial endoglucanases depends on two factors: the belonging of producers to different taxonomic groups of higher rank (bacteria, fungi, and archaea) and the temperature optimum of their habitat (psychro-, meso-, and thermophiles). Enzymes retrieved from Uniprot and GenBank were analyzed via pairwise and multiple sequence alignment, pairwise structural alignment, and comparison of amino acid profiles. It is shown that the sequences cluster according to the systematics of producers and do not contain patterns associated with adaptations to temperature conditions. However, the amino acid profile of proteins depends also on the temperature conditions of the microbial habitat: the frequencies of some amino acids (E, I, Y, D, and Q) differ significantly in enzymes with different temperature optima. The study also identified a set of enzymes with low sequence identity but high similarity of 3D structures. This set includes enzymes from related taxa but with different temperature optima, as well as endoglucanases from microorganisms that are systematically distant while living under similar temperature conditions. Among other things, the possible mechanisms of the observed differences between the identity scores of different structural levels of protein are discussed.

About the authors

O. S. Petukhova

Irkutsk State University

Email: petukhova4olga@gmail.com

A. A. Pristavka

Irkutsk State University

Email: pristavk@gmail.com

E. A. Pristavka

Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS

Email: pristavkaegor03@gmail.com

D. E. Gavrikov

Irkutsk State University

Email: dega.irk@gmail.com

V. P. Salovarova

Irkutsk State University

Email: vsalovarova@gmail.com

References

  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.
  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».