اثر حلال‌های آلی و اسمولیت‌ها بر فعالیت و پایداری پروتئاز خالص‌شده از گیاه فیکوس یوهانیس

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

1 گروه زیست‌شناسی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

2 گروه زیست‌شناسی، دانشکده علوم و مهندسی، دانشگاه گنبد کاووس، گنبد کاووس، ایران

چکیده
به‌کارگیری آنزیم‌ها در حلال‌های آلی از لحاظ صنعتی و بیوتکنولوژیکی بسیار حائز اهمیت است. اما حلال‌های آلی با تاثیر بر ساختار پروتئین‌ها و واسرشتگی آنها باعث کاهش فعالیت و پایداری آنزیم‌ها می‌شوند. برای رفع این مشکل می‌توان از روش‌های پایدارسازی پروتئین‌ها نظیر مهندسی پروتئین، تغییرات شیمیایی و به‌کاربردن افزودنی‌ها استفاده نمود. در این مطالعه سیستئین‌پروتئازی از شیرابه گیاه فیکوس یوهانیس تخلیص شد و فعالیت و پایداری پروتئاز در حضور حلال‌های مختلف مورد بررسی قرار گرفت. اثر ترهالوز، سوربیتول و ساکارز نیز بر فعالیت آنزیم در حضور حلال‌ها مطالعه شد. نتایج نشان داد حلال‌های آلی در غلظت‌های پایین باعث افزایش فعالیت آنزیم شده ولی با افزایش غلظت حلال‌ها فعالیت آنزیمی کاهش می‌یابد. اگرچه تا غلظت ۳۰% حلال‌ها، همچنان بیش از ۶۰% فعالیت آنزیم حفظ شده است. نتایج مطالعات پایداری پروتئاز نشان‌دهنده پایداری قابل توجه آنزیم نسبت به حلال‌های آلی است، به‌طوری که در حضور ۵۰% تمامی حلال‌ها، آنزیم همچنان ۹۰% پایداری‌ا‌ش را حفظ کرده است. بررسی اثر افزودنی‌ها نشان داد قندها موجب بهبود فعالیت آنزیم می‌شوند و بیشترین اثر حفظ فعالیت آنزیم مربوط به ترهالوز بود. با توجه به روش تخلیص آسان و فعالیت و پایداری قابل توجه پروتئاز مورد مطالعه در حضور حلال‌ها، این آنزیم برای استفاده در صنایع مختلف به‌خصوص سنتز پپتید پیشنهاد می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Simon LM, Kotormán M, Szabó A, Nemcsók J, Laczkó I. The effects of organic solvent/water mixtures on the structure and catalytic activity of porcine pepsin. Process Biochem. 2007;42(5):909-12. [Link] [DOI:10.1016/j.procbio.2007.01.014]
Davis BG, Boyer V. Biocatalysis and enzymes in organic synthesis. Nat Prod Rep. 2001;18(6):618-40. [Link] [DOI:10.1039/b003667f]
Doukyu N, Ogino H. Organic solvent-tolerant enzymes. Biochem Eng J. 2010;48(3):270-82. [Link] [DOI:10.1016/j.bej.2009.09.009]
Miroliaei M, Nemat-Gorgani M. Effect of organic solvents on stability and activity of two related alcohol dehydrogenases: A comparative study. Int J Biochem Cell Biol. 2002;34(2):169-75. [Link] [DOI:10.1016/S1357-2725(01)00109-1]
Griebenow K, Klibanov AM. On protein denaturation in aqueous- organic mixtures but not in pure organic solvents. J Am Chem Soc. 1996;118(47):11695-700. [Link] [DOI:10.1021/ja961869d]
Stepankova V, Bidmanova S, Koudelakova T, Prokop Z, Chaloupkova R, Damborsky J. Strategies for stabilization of enzymes in organic solvents. Acs Catal. 2013;3(12):2823-36. [Link] [DOI:10.1021/cs400684x]
Stepankova V, Damborsky J, Chaloupkova R. Organic co‐solvents affect activity, stability and enantioselectivity of haloalkane dehalogenases. Biotechnol J. 2013;8(6):719-29. [Link] [DOI:10.1002/biot.201200378]
Arakawa T, Timasheff SN. Stabilization of protein structure by sugars. Biochemistry. 1982;21(25):6536-44. [Link] [DOI:10.1021/bi00268a033]
Back JF, Oakenfull D, Smith MB. Increased thermal stability of proteins in the presence of sugars and polyols. Biochemistry. 1979;18(23):5191-6. [Link] [DOI:10.1021/bi00590a025]
Kumar V, Chari R, Sharma VK, Kalonia DS. Modulation of the thermodynamic stability of proteins by polyols: Significance of polyol hydrophobicity and impact on the chemical potential of water. Int J Pharm. 2011;413(1-2):19-28. [Link] [DOI:10.1016/j.ijpharm.2011.04.011]
Street TO, Bolen DW, Rose GD. A molecular mechanism for osmolyte-induced protein stability. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006;103(38):13997-4002. [Link] [DOI:10.1073/pnas.0606236103]
Cioni P, Bramanti E, Strambini GB. Effects of sucrose on the internal dynamics of azurin. Biophys J. 2005;88(6):4213-22. [Link] [DOI:10.1529/biophysj.105.060517]
Schaller A. A cut above the rest: The regulatory function of plant proteases. Planta. 2004;220(2):183-97. [Link] [DOI:10.1007/s00425-004-1407-2]
Tomar R, Kumar R, Jagannadham MV. A stable serine protease, wrightin, from the latex of the plant Wrightia tinctoria (Roxb.) R. Br.: Purification and biochemical properties. J Agric Food Chem. 2008;56(4):1479-87. [Link] [DOI:10.1021/jf0726536]
Rao MB, Tanksale AM, Ghatge MS, Deshpande VV. Molecular and biotechnological aspects of microbial proteases. Microbiol Mol Biol Rev. 1998;62(3):597-635. [Link]
Kumar CG, Takagi H. Microbial alkaline proteases: From a bioindustrial viewpoint. Biotechnol Adv. 1999;17(7):561-94. [Link] [DOI:10.1016/S0734-9750(99)00027-0]
Afsharnezhad M, Shahangian SS, Sariri R. A novel milk-clotting cysteine protease from Ficus johannis: Purification and characterization. Int J Biol Macromol. 2019;121:173-82. [Link] [DOI:10.1016/j.ijbiomac.2018.10.006]
Kumari M, Sharma A, Jagannadham MV. Religiosin B, a milk-clotting serine protease from Ficus religiosa. Food Chem. 2012;131(4):1295-303. [Link] [DOI:10.1016/j.foodchem.2011.09.122]
Laemmli UK. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4. Nature. 1970;227(5259):680-5. [Link] [DOI:10.1038/227680a0]
Omrane Benmrad M, Moujehed E, Ben Elhoul M, Zaraî Jaouadi N, Mechri S, Rekik H, et al. A novel organic solvent-and detergent-stable serine alkaline protease from Trametes cingulata strain CTM10101. Int J Biol Macromol. 2016;91:961-72. [Link] [DOI:10.1016/j.ijbiomac.2016.06.025]
Hadjidj R, Badis A, Mechri S, Eddouaouda K, Khelouia L, Annane R, et al. Purification, biochemical, and molecular characterization of novel protease from Bacillus licheniformis strain K7A. Int J Biol Macromol. 2018;114:1033-48. [Link] [DOI:10.1016/j.ijbiomac.2018.03.167]
Pazhang M, Khajeh K, Ranjbar B, Hosseinkhani S. Effects of water-miscible solvents and polyhydroxy compounds on the structure and enzymatic activity of thermolysin. J Biotechnol. 2006;127(1):45-53. [Link] [DOI:10.1016/j.jbiotec.2006.05.017]
Devaraj KB, Kumar PR, Prakash V. Purification, characterization, and solvent-induced thermal stabilization of ficin from Ficus carica. J Agric Food Chem. 2008;56(23):11417-23. [Link] [DOI:10.1021/jf802205a]
Anbu P. Characterization of solvent stable extracellular protease from Bacillus koreensis (BK-P21A). Int J Biol Macromol. 2013;56:162-8. [Link] [DOI:10.1016/j.ijbiomac.2013.02.014]
Shan SO, Herschlag D. The change in hydrogen bond strength accompanying charge rearrangement: Implications for enzymatic catalysis. Proc Natl Acad Sci. 1996;93(25):14474-9. [Link] [DOI:10.1073/pnas.93.25.14474]
Wan YY, Lu R, Xiao L, Du YM, Miyakoshi T, Chen CL, et al. Effects of organic solvents on the activity of free and immobilised laccase from Rhus vernicifera. Int J Biol Macromol. 2010;47(4):488-95. [Link] [DOI:10.1016/j.ijbiomac.2010.07.003]
Zaks A, Klibanov AM. The effect of water on enzyme action in organic media. J Biol Chem. 1988;263(17):8017-21. [Link]
Kumar S, Tsai CJ, Nussinov R. Factors enhancing protein thermostability. Protein Eng Des Sel. 2000;13(3):179-91. [Link] [DOI:10.1093/protein/13.3.179]
Gorman LA, Dordick JS. Organic solvents strip water off enzymes. Biotechnol Bioeng. 1992;39(4):392-7. [Link] [DOI:10.1002/bit.260390405]
Ghorbel B, Sellami-Kamoun A, Nasri M. Stability studies of protease from Bacillus cereus BG1. Enzym Microb Technol. 2003;32(5):513-8. [Link] [DOI:10.1016/S0141-0229(03)00004-8]
Geok LP, Abdul Razak CN, Abd Rahman RNZ, Basri M, Salleh AB. Isolation and screening of an extracellular organic solvent-tolerant protease producer. Biochem Eng J. 2003;13(1):73-7. [Link] [DOI:10.1016/S1369-703X(02)00137-7]
Ghatorae AS, Bell G, Halling PJ. Inactivation of enzymes by organic solvents: New technique with well‐defined interfacial area. Biotechnol Bioeng. 1994;43(4):331-6. [Link] [DOI:10.1002/bit.260430410]
Sadr-e-Momtaz A, Ebrahimi S, Rahmani H, Asghari SM, Aghamaali MR, Sajadi RH. Evaluation of protease stability from Pseudomonas aeroginosa strain PTCC1430 in organic solvents . New Cell Mol Biotechnol J. 2013;3(9):85-89. [Persian] [Link]
Ogino H, Watanabe F, Yamada M, Nakagawa S, Hirose T, Noguchi A, et al. Purification and characterization of organic solvent-stable protease from organic solvent-tolerant Pseudomonas aeruginosa PST-01. J Biosci Bioeng. 1999;87(1):61-8. [Link] [DOI:10.1016/S1389-1723(99)80009-7]
Alsafadi D, Paradisi F. Effect of organic solvents on the activity and stability of halophilic alcohol dehydrogenase (ADH2) from Haloferax volcanii. Extremophiles. 2013;17(1):115-22. [Link] [DOI:10.1007/s00792-012-0498-0]
Ogino H, Uchiho T, Doukyu N, Yasuda M, Ishimi K, Ishikawa H. Effect of exchange of amino acid residues of the surface region of the PST-01 protease on its organic solvent-stability. Biochem Biophys Res Commun. 2007;358(4):1028-33. [Link] [DOI:10.1016/j.bbrc.2007.05.047]
Ohtake S, Kita Y, Arakawa T. Interactions of formulation excipients with proteins in solution and in the dried state. Adv Drug Deliv Rev. 2011;63(13):1053-73. [Link] [DOI:10.1016/j.addr.2011.06.011]
Iyer PV, Ananthanarayan L. Enzyme stability and stabilization-aqueous and non-aqueous environment. Process Biochem. 2008;43(10):1019-32. [Link] [DOI:10.1016/j.procbio.2008.06.004]
Kumar A, Attri P, Venkatesu P. Effect of polyols on the native structure of α-chymotrypsin: A comparable study. Thermochim Acta. 2012;536:55-62. [Link] [DOI:10.1016/j.tca.2012.02.027]
Silva C, Martins M, Jing S, Fu J, Cavaco-Paulo A. Practical insights on enzyme stabilization. Crit Rev Biotechnol. 2018;38(3):335-50. [Link] [DOI:10.1080/07388551.2017.1355294]
Zaroog MS, Abdul Kadir H, Tayyab S. Stabilizing effect of various polyols on the native and the denatured states of glucoamylase. Sci World J. 2013;2013:570859. [Link] [DOI:10.1155/2013/570859]
Mirzaei Nia S, Pazhang M, Imani M. Study of the stability of uricase from Aspergillus flavus and its stabilization by glucose. Modares J Biotechnol. 2017;8(1):50-60. [Persian] [Link]
Azizi A, Ranjbar B, Khajeh K, Ghodselahi T, Hoornam S. Comparative investigation of individual and combinational effects of trehalose & sorbitol on the activity and structure of Pseudomonas cepacia lipase. Modares J Biotechnol. 2013;3(2):21-31. [Persian] [Link]