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Directed evolution to produce an alkalophilic variant from a Neocallimastix patriciarum xylanase

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Abstract:

The catalytic domain of a xylanase from the anaerobic fungus Neocallimastix patriciarum was made more alkalophilic through directed evolution using error-prone PCR. Transformants expressing the alkalophilic variant xylanases produced larger clear zones when overlaid with high pH, xylan-containing agar. Eight amino acid substitutions were identified in six selected mutant xylanases. Whereas the wild-type xylanase exhibited no activity at pH 8.5, the relative and specific activities of the six mutants were higher at pH 8.5 than at pH 6.0. Seven of the eight amino acid substitutions were assembled in one enzyme (xyn-CDBFV) by site-directed mutagenesis. Some or all of the seven mutations exerted positive and possibly synergistic effects on the alkalophilicity of the enzyme. The resulting composite mutant xylanase retained a greater proportion of its activity than did the wild type at pH above 7.0, maintaining 25% of its activity at pH 9.0, and its retention of activity at acid pH was no lower than that of the wild type. The composite xylanase (xyn-CDBFV) had a relatively high specific activity of 10 128 µmol glucose·min–1·(mg protein)–1 at pH 6.0. It was more thermostable at 60°C and alkaline tolerant at pH 10.0 than the wild-type xylanase. These properties suggest that the composite mutant xylanase is a promising and suitable candidate for paper pulp bio-bleaching.Key words: xylanase, Neocallimastix patriciarum, alkalophilicity, random mutagenesis, directed evolution.

Le domaine catalytique d'une xylanase du champignon anaérobe Neocallimastix patriciarum a été rendu plus alcalophilique par évolution dirigée en utilisant un PCR à retranscription imparfaite. Les transformants exprimant des variantes de xylanases alcalophiliques ont produit des zones claires plus étendues lorsqu'elles étaient recouvertes avec un agar-xylane à pH élevé. Nous avons identifié huit substitutions d'acides aminés dans six xylanases mutantes. Alors que la xylanase de type sauvage ne manifestait aucune activité à un pH de 8,5, les activités relatives et spécifiques des six mutants étaient plus élevées à pH 8,5 qu'à pH 6,0. Sept des huit substitutions d'acides aminés ont été assemblées dans une enzyme (xyn-CDBFV) par mutagenèse dirigée. Certaines ou toutes les sept mutations ont eu des effets positifs et vraisemblablement synergiques sur l'alcalophilicité de l'enzyme. Le mutant composite de la xylanase qui en est découlé conservait une plus grande proportion de son activité que l'enzyme de type sauvage à un pH supérieur à 7,0; elle a maintenu 25 % de son activité à un pH de 9,0, et la conservation de son activité à des pH acides n'était pas inférieure à celle du type sauvage. La xylanase composite (xyn-CDBFV) avait une activité spécifique relativement élevée de 10 128 µmol glucose·min–1·(mg protéine)–1 à un pH de 6,0. Elle était plus thermostable à 60°C et plus tolérante à l'alcalinité à pH 10,0 que la xylanase de type sauvage. Ces propriétés indiquent que la xylanase composite représente un candidat prometteur adapté au bio-blanchiment de la pâte à papier.Mots clés : xylanase, Neocallimastix patriciarum, alcalophilicité, mutagénèse aléatoire, évolution dirigée.[Traduit par la Rédaction]
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  • Published since 1954, this monthly journal contains new research in the field of microbiology including applied microbiology and biotechnology; microbial structure and function; fungi and other eucaryotic protists; infection and immunity; microbial ecology; physiology, metabolism and enzymology; and virology, genetics, and molecular biology. It also publishes review articles and notes on an occasional basis, contributed by recognized scientists worldwide.
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