β-Galactosidase from Bacillus circulans ATCC 31382 (BgaD) is a biotechnologically important enzyme for the synthesis of β-galactooligosaccharides (GOS). Among its four isoforms, isoform A (BgaD-A) has distinct synthetic properties. Here, we present cryoelectron microscopy (cryo-EM) structures of BgaD-A and compare them with the known X-ray crystal structure of isoform D (BgaD-D), revealing substantial structural divergences between the two isoforms. In contrast to BgaD-D, BgaD-A features a flexible Big-4 domain and another enigmatic domain. The newly identified flexible region in BgaD-A is termed as “barrier domain 8,” and serves as a barricade, obstructing the access of longer oligosaccharide substrates into the active site of BgaD-A. The transgalactosylation reactions catalyzed by both isoforms revealed that BgaD-A has a higher selectivity than BgaD-D in the earlier stages of the reaction and is prevailingly directed to shorter galactooligosaccharides. This study improves our understanding of the structural determinants governing β-galactosidase catalysis, with implications for tailored GOS production.

中文翻译：

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环状芽孢杆菌 β-半乳糖苷酶亚型的可变结构灵活性决定了它们的独特功能


来自循环芽孢杆菌 ATCC 31382 （BgaD） 的 β-半乳糖苷酶是一种在生物技术上重要的酶，用于合成 β-低聚半乳糖 （GOS）。在其四种亚型中，亚型 A （BgaD-A） 具有不同的合成特性。在这里，我们展示了 BgaD-A 的冷冻电子显微镜 （cryo-EM） 结构，并将它们与已知的亚型 D （BgaD-D） 的 X 射线晶体结构进行比较，揭示了两种亚型之间的显着结构差异。与 BgaD-D 相比，BgaD-A 具有灵活的 Big-4 结构域和另一个神秘结构域。BgaD-A 中新发现的柔性区域称为“屏障结构域 8”，并充当路障，阻止较长的寡糖底物进入 BgaD-A 的活性位点。由两种亚型催化的转半乳糖基化反应表明，BgaD-A 在反应的早期阶段比 BgaD-D 具有更高的选择性，并且主要针对较短的低聚半乳糖。这项研究提高了我们对控制 β-半乳糖苷酶催化的结构决定因素的理解，对定制 GOS 生产具有重要意义。