Study of the molecular basis of transglycosylation reactions in β-glucosidase GH1 from Spodoptera frugiperda and Tenebrio molitor

Glicosídeos essenciais a vida podem ser sintetizados por métodos enzimáticos com altíssima especificidade. O mecanismo de reação de β-glicosidases GH1 por dupla-substituição envolve a formação de intermediário covalente (glicosil-enzima) que pode seguir duas rotas. Uma envolve sua hidrólise na ligação β-glicosídica entre glicone e aglicone do substrato, liberando o monossacarídeo da extremidade não-redutora; enquanto na outra rota, transglicosilação ou síntese por controle cinético, o intermediário é atacado por um aceptor glicosídico (2ª molécula de substrato), gerando um novo glicosídeo. BglB possui resíduos (W e H) que formam um \"canal\" por onde a água ataca o intermediário covalente no sítio ativo, sendo alvos de potenciais mutações que alteram o balanço entre as rotas e ampliando a eficiência de transglicosilação. Para caracterizar as bases moleculares da razão entre essas duas rotas catalíticas, β-glicosidases da família GH1 Spodoptera frugiperda (Sfβglu; AF052729) e Tenebrio molitor (Tmβglu; AF312017) foram produzidas como enzimas recombinantes em leveduras Pichia pastoris GS115, concentradas com 90% (p/v) de sulfato de amônio e diálise reversa com PEG 10000, e dialisadas em tampão CP 100 mM pH 6. A pureza foi confirmada por banda única com tamanho semelhante a 50 kDa (Sfβgly) e 56 kDa (Tmβgly) em SDS-PAGE. A atividade recuperada após purificação é 152% (Sfβgly) e 171% (Tmβgly) e a concentração protéica de 0,134 µg/µL (Sfβgly) e 0,217 µg/µL (Tmβgly). A razão entre as reações de hidrólise e transglicosilação (vH/vT) foi analisada utilizando os substratos pNPβ-gluco (0,1 mM a 8 mM) e MUβ-gluco (0,1 mM a 40 mM), a partir da velocidade de formação dos produtos pNP ou MU e glicose, respectivamente. Tmβgly catalisa reações de transglicosilação com ambos, mas vH/vT depende da [S] variando de +∞ (vH>>vT) a 1,5 para pNPβ-gluco e +∞ a 1 para MUβ-gluco. Sfβgly, ao contrário, não transglicosila com substrato MUβ-gluco. Além disso, vH/vT para pNPβ-gluco é 2 e independe da [S]. Já Sfβgly K201F conjuga propriedades de ambas, pois não transglicosila com MUβ-gluco, mas para pNPβ-gluco há ocorrência de transglicosilação dependente da [S], variando de +∞ (vH>>vT) a 1,25. Os parâmetros cinéticos (Vmax e Km) foram ajustados no Enzifitter e por simulação numérica na equação do modelo cinético ping-pong para dois substratos, e mostram maior (Km2) em Tmβgly e Sfβgly K201F do que em Sfβgly. Também foi avaliado o efeito da adição de aceptores alternativos que substituem a água em ensaios com pNPβ-gluco 4mM na presença de alcóois. Para as três enzimas a adição de metanol torna a vglc menor do que de vpNP, indicando ocorrência de transglicosilação. Com adição de n-propanol vH/vT diminui cerca de 7 vezes em Sfβgly e 2 vezes em Tmβgly. Os efeitos destes alcoóis sobre Sfβgly são maiores do que para Tmβgly e Sfβgly K201F, sugerindo acesso mais fácil destes ao intermediário covalente em Sfβgly, indicando diferenças entre as enzimas na configuração desta região. Portanto, notamos que vH/vT não está ligada à afinidade pela segunda molécula de substrato, podendo ser modulada por mutação do resíduo K201 de Sfβgly, posição relacionada ao acesso da água ou aceptor alternativo ao sítio ativo.Glycosides are essential to life and can be synthesized by enzymatic methods with high specificity. The reaction mechanism of GH1 β-glucosidases by double-substitution involves the formation of covalent intermediate (glycosyl-enzyme) which may follow two routes. One of them involves hydrolysis in β-glycosidic bond between aglycone glucone and the substrate, releasing a monosaccharide from the non-reducing end, whereas in the other route, transglycosylation or synthesis by kinetic control, the intermediate is attacked by a glucosyl acceptor (second substrate molecule), generating a new glucoside. BglB has two residues (W and H) that form a \"channel\" through which water attacks the covalent intermediate on the active site. Thus, the residues are potential targets for mutations that alter the balance between routes, increasing the efficiency of transglycosylation. To characterize the molecular basis of the ratio between these two catalytic routes, two β-glycosidases from GH1 family, Spodoptera frugiperda (Sfβgly; AF052729) and Tenebrio molitor (Tmβgly; AF312017) were produced as recombinant enzymes in Pichia pastoris GS115, concentrated using 90% (w/v) ammonium sulfate and reverse dialysis with PEG 10000, and dialyzed in 100 mM CP buffer pH 6. SDS-PAGE confirmed that Sfβgly (~50 kDa) and Tmβgly (~56 kDa) were pure after that procedure. The activity recovered after purification were 152% (Sfβgly) and 171% (Tmβgly) and protein concentration were 0.134 mg/mL (Sfβgly) and 0.217 mg/mL (Tmβgly). The ratio between the hydrolysis and transglycosylation (vH/vT) was analyzed using pNPβ-gluco substrates (0.1 mM to 8 mM) and MUβ-gluco (0.1 mM to 40 mM), the rate of formation of pNP or MU and glucose. Tmβgly catalyzes transglycosylation reactions with both substrates, but vH/vT depends on [S] ranging from +∞ (vH>>vT) to 1.5 for pNPβ-gluco and + ∞ to 1 for MUβ-gluco. In contrast, Sfβgly did not catalyses transglycosilation with MUβ-gluco. Moreover, vH/vT for pNPβ-gluco-is 2 and is independent of [S]. Sfβgly K201F combines properties of both, because it does not catalyse transglycosylation with MUβ-gluco, but for pNPβ-gluco the occurrence of transglycosylation is dependent on [S], ranging from + ∞ (vH>>vT) to 1.25. The kinetic parameters (Vmax e Km) were adjusted in Enzfitter and numerical simulation showing that Km2is higher for Tmβgly and Sfβgly K201F than Sfβgly. We also evaluated the effect of adding alternative acceptors that replace the water in pNPβ gluco-4 mM. For the three enzymes the addition of methanol makes vglc less than pNP, indicating the occurrence of transglycosylation. Addition of n-propanol decreases vH/vT about 7 times in Sfβgly and 2 times Tmβgly. The effects on Sfβgly are higher than on Tmβgly and Sfβgly K201F, suggesting easier access to the covalent intermediate in Sfβgly. We observe that vH/vT is not related to affinity for the second substrate molecule and may be modulated by mutation of residue K201 Sfβgly, position related to the access of water or alternative acceptor to the active site