Activity Enhancement of Bacillus circulans Xylanase

Abstract

단백질인 효소는 여러 입체적 구조를 띠는 역동적 분자이며 이 역동성은 효소의 활성에 있어서 핵심적인 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 효소의 여러 종류의 움직임들 중에서도 경첩(hinge)을 축으로 한 도메인들의 상대적인 움직임인 경첩 굽힘 움직임(hinge bending motion)이 효소의 물질 생성 속도와 크게 연관되어있다는 것과 이러한 움직임이 경첩 부분의 물리적 특성에 영향을 받고 있다는 보고에 주목하였다. 본 연구에서는 특히 경첩 부분의 유연성(flexibility)과 효소 활성의 관계를 이해하기 위해 효소의 구조적 분석을 통해 경첩 부분을 효율적으로 탐색하고 아미노산 치환을 통해 이 부분의 유연성을 조작하여 그 관계를 밝혀내고자 하였다. 대상 효소인 Bacillus circulans 자일라네이즈에 컴퓨터 프로그램을 적용하여 경첩을 탐색하고 얻어진 여러 경첩 지역 중, 구조적 관찰을 통해 효소 본래의 활성을 저해시키지 않도록 2차적으로 치환 후보 아미노산을 선택하여 그 유연성을 더욱 단단하게 하거나 유연하게 하는 돌연변이를 제작하였다. 그 결과 더욱 단단하게 치환한 힌지 구조에서 반응 속도(Vmax)가 올라가는 경향성을 찾을 수 있었고 최대 속도가 약 2배인 변이체를 확보할 수 있었다. 본 연구에서는 효소의 경첩 지역을 구조적 분석을 통하여 효율적으로 찾아내었고 그 유연성을 보다 단단하게 조작하는 것이 효소의 활성을 높이는데 기여하는 것을 밝혔다.

Enzymes are dynamic molecules which undergo multiple conformational changes in the solution, and the dynamics is considered to play a critical role in enzyme activity. Hinge bending motions are known to be related with turnover rate, which result from relative movements of dynamical quasi-rigid bodies and the motions are affected by the physical properties of the hinge region. In this study, hinge identification and flexibility modification of that region by mutagenesis were conducted to explore the relationship between the hinge flexibility and activity. Bacillus circulans xylanases was used to identify the hinge region and the target sites were selected in the region for mutagenesis. As a result, turnover rate (Vmax) was improved about two folds in the mutant substituted to be more rigid structure. This study indicates the importance of hinge flexibility and the rigidly mutated hinge has positive effects to the enzyme activity.