Investigating the impact of histidine 312 active site residue mutation on CO2 reduction activity of Chaetomium thermophilium formate dehydrogenase

Abstract

Formate dehidrogenazlar, formate iyonunu karbon dioksite yükseltgerken, eş zamanlı olarak NAD+'nin NADH'e indirgenmesini katalizleyen bir oksidoredüktaz grubu enzimleridir. FDH'ler, değerli kimyasalların üretiminde kullanılan ucuz koenzim eldesi için NAD(P)H yenilenmesi sistemlerinde, ters tepkimeleri ile atmosferdeki CO2 indirgenmesi ve formate biyosensörlerinin geliştirilmesi gibi birçok çeşitli amaç için kullanılmaktadırlar. Bu enzimlerin sanayide daha iyi kullanılabilmesi için biyo-katalitik aktivitelerinin ve stabilitelerinin enzim mühendisliği metodları kullanılarak geliştirilmesi gerekmektedir. Chaetomium thermophilum format dehidrogenaz (CtFDH) enziminin son çalışmalarda CO2 indirgenmesinde diğer FDH'lere kıyasla yüksek potansiyele sahip olduğu gösterilmiştir. Bu çalışma, CtFDH'in 312. pozisyonunda bulunan histidin amino asit kalıntısının ters reaksiyon mekanizmasındaki rolünün yönlendirilmiş genetik mutasyonla sorgulanmasını amaçlamaktadır. Pozitif yüklü bu amino asit, CtFDH 'in aktive bölgesinde bulunur ve apolar alanin amino asidiyle değiştirilip yabanıl tip CtFDH ile karşılaştırılmıştır. His312Ala mutasyonu enzimin format yükseltgenme reaksiyonunda daha düşük aktivite gösterdiği görülmüştür. Enzimin formate karşı olan afinitesinin yaklaşık 2,5 kat ve katalitik hız sabitinin 15 kat düştüğü hesaplanmıştır. Ayrıca bu mutasyon, bikarbonat substratının enzime bağlanmasını engelleyerek CO2 indirgeme aktivitesinin tamamen ortadan kaybolmasına sebep olmuştur. Böylece bu bulgular histidin amino asidinin, enzimin her iki substrata bağlanmasında ve elektron transferinin gerçekleşmesinde önemli bir fonksiyona sahip olduğunu göstermektedir. Elde edilen sonuçlar, FDH'lerin aktif bölgesindeki yapı-fonksiyon ilişkileri hakkında yeni bir anlayış yaratacaktır.Formate dehydrogenases (FDHs) are a set of oxidoreductases that catalyze the oxidation of formate to carbon dioxide with the simultaneous reduction of NAD+ to NADH. FDHs have been used for several objectives such as NAD(P)H regeneration systems for the obtainment of cheap coenzymes which have been used in the production of valuable chemicals, CO2 reduction with reverse reaction in atmosphere and development of formate biosensors. However, every application of FDHs needs some improvements in the bio-catalytic activity and stability for effective contribution to the industry. Chaetomium thermophilum formate dehydrogenase (CtFDH) enzyme have relatively higher potential compare to other FDHs in the reduction of CO2 to formate according to the last studies. This study aims to investigate to the role of histidine amino acid residue at 312 position of CtFDH on the reverse reaction mechanism with site-directed mutagenesis. The positively charged histidine amino acid is found in the active site of the CtFDH and was changed with the nonpolar alanine amino acid. Kinetic studies were performed against both formate and bicarbonate (CO2 source) and Michaelis-Menten kinetic parameters were determined. When comparing wild type CtFDH and His312Ala CtFDH, mutant CtFDH showed that a lower affinity (nearly 2.5-fold increase of KM) to substrate and the lower catalytic rate of mutant CtFDH (15-fold) in formate oxidation. In addition, this mutation prevents the binding of bicarbonate into the active center of CtFDH which causes to lose its activity on CO2 reduction. Hence, these results show that the histidine residue at 312 position that has an important function in the hydride transfer and the binding of both substrates for this enzyme. Molecular dynamic simulations are going to be applied to show the possible effects of this mutation on the structure of enzyme. The obtained results will create a new understanding of structure-function relationships in the active center of FDHs.