Computer Aided Design of Polygalacturonase II from Aspergillus niger

Abstract

Pectin is a complex polysaccharide found in the cell walls of plants and consisting mainly of esterified D-galacturonic acid resides in α-(1-4) chain. In production of fruit juice, pectin contributes to fruit juice viscosity, thereby reducing the juice production and increasing the filtration time. Polygalacturonase improves the juice production process by rapid degradation of pectin. In this project we have designed a novel polygalacturonase enzyme using computer aided design approaches. The three dimension structure of polygalacturonase is first modeled on the basis of the known crystal structure. The active site in this enzyme is identified by manual and automated docking methods. Lamarckian genetic algorithm is used for automated docking and the active site is validated by comparing with existing experimental data. This is followed by in silico mutations of the enzymes and the automated docking process is repeated using the mutant enzymes. The strength of the binding of the ligands inside the active site is evaluated by computing the binding score using Potential Mean Force (PMF) method. The in silico mutations R256Q and K258N are found to decrease the binding strength of the ligand at the active site, indicating lowering of enzyme activity, which is consistent with the experimental results. Hence in silico mutations can be used to design new polygalacturonase enzymes with improved enzyme activity.

ABSTRAK: Pektin adalah polisakarida kompleks yang terdapat di dalam dinding sel tumbuhan dan sebahagian besarnya terdiri daripada asid D-galakturonik terester yang ditemui di dalam rantaian α-(1-4). Dalam penghasilan jus buah-buahan, pektin menyumbang dalam kepekatan jus buah-buahan, di mana ia mengurangkan penghasilan jus dan menambahkan masa penapisan. Poligalakturonase meningkatkan proses penghasilan jus dengan pemecahan pektin dengan cepat. Dalam projek ini, kami telah merangka satu enzim poligalakturonase baru dengan menggunakan pendekatan reka bentuk berbantukan komputer. Struktur tiga dimensi poligalakturonase ini pada permulaannya dimodelkan berasaskan kepada struktur kristal. Tapak aktif enzim ini dikenali pasti dengan kaedah mengedok manual dan automatik. Algoritma genetik Lamarckian digunakan untuk dok berautomatik dan tapak aktif ini disahkan dengan perbandingan dengan data eksperimental yang sedia ada. Kaedah ini diikuti pula dengan mutasi in siliko enzim dan proses mengedok automatik diulangi dengan menggunakan enzim mutan. Kekuatan ikatan ligan yang berada di dalam tapak aktif dinilai dengan mengira kiraan ikatan menggunakan kaedah Min Keupayaan Daya (Potential Mean Force (PMF)). Mutasi in siliko R256Q dan K258N merupakan penyebabpenurunan dalam kekuatan ikatan ligan di tapak aktif, menunjukkan pengurangan dalam aktiviti enzim, di mana ianya konsisten dengan keputusan ekperimental. Jesteru, mutasi siliko boleh digunakan untuk mereka enzim poligalakturonase baru dengan mempertingkatkan aktiviti enzim.