β-木糖苷酶及其在纤维素乙醇生产中的应用研究进展

将木质纤维素类生物质生物转化生产液体燃料,如纤维素乙醇和大宗化学品,对缓解当前人类社会面临的能源和资源危机以及保护环境具有重要意义。半纤维素是木质纤维素类生物质的主要组成成分之一,它的生物降解转化对实现木质纤维素生物炼制意义重大。由于半纤维素糖种类的多样性和半纤维素结构的复杂性,需要一个复杂的半纤维素酶系才能完成对半纤维素的有效降解。除了木聚糖酶等以外,β-木糖苷酶也是半纤维素酶系的主要组分。在半纤维素降解过程中,β-木糖苷酶将木聚糖酶的水解产物木寡糖和木二糖水解为木糖,不仅在木聚糖的彻底降解过程中起着重要作用,而且可以缓解木寡糖对木聚糖酶和纤维素酶的抑制作用。该文综述了目前在β-木糖苷酶方面的研究进展,包括β-木糖苷酶的分类、酶学性质、酶结构及其催化机制、基因的克隆与表达等,并对β-木糖苷酶在纤维素乙醇生产中的应用情况进行了简述。     

嗜碱芽孢杆菌C-125木糖苷酶基因的表达与酶特征鉴定

嗜碱芽孢杆菌(Bacillus halodurans)C-125菌株的基因组中,一个编码木糖苷酶的基因(BH1068)被克隆并在大肠杆菌中获得高效表达。通过全面分析纯化蛋白,确证了它的木糖苷酶功能。该酶在pH4～9的范围内保持稳定,最适pH值为中性,有较宽的最适温度(35°C～45°C),且能在45°C范围内保持稳定。这些特性使得该酶可在较为宽广的条件下对木聚糖进行酶促降解。该酶对人工合成底物对硝基苯-β-木糖苷(p-nitrophenyl-β-xylose,pNPX)的比活力为174mU/mg蛋白质,且木糖对其反馈抑制较弱(抑制常数Ki为300mmol/L)。结果显示该酶是活性较高且较耐木糖抑制的细菌源木糖苷酶。该酶与商品化的木聚糖酶一起水解山毛举木聚糖(Beechwood xylan)时显示了增效作用,且水解率可获40%。该酶最适pH为中性,对木糖耐受等特性与大多数来源于真菌、最适pH为酸性、对木糖敏感的木糖苷酶将有较好的互补。结果表明该酶在木聚糖或含木聚糖多糖的单糖化过程可能发挥重要作用。     

Leifsonia sp.ZF2019中一种新型耐木糖β-木糖苷酶的表达与特征

【目的】从栀子灰蝶幼虫分离的Leifsonia sp. ZF2019菌株中克隆表达出一种新型β-木糖苷酶Xyl4900,并研究其酶学性质,以期为开发适用于工业生产的β-木糖苷酶提供参考。【方法】采用生物信息学分析技术分析Leifsonia sp. ZF2019菌株的β-木糖苷酶Xyl4900基因并在大肠杆菌中表达了该基因,纯化并研究了其酶学性质。【结果】Xyl4900与GH3家族的β-葡萄糖苷酶同源性高,但带有β-木糖苷酶结构域,可特异性水解对硝基苯基β-D-吡喃木糖苷（p NPX）,是一种新型β-木糖苷酶。酶学特性分析显示,Xyl4900在45℃和pH 7.0的条件下酶活性最高,且在pH 6.0–9.0的范围内孵育14 h,仍保持80%以上的酶活力。除Cu²⁺外,其他金属离子（2.5 mmol/L）对Xyl4900酶活力无明显影响,且对低浓度有机溶剂（5%V/V）有较强耐受性。此外,在20%（W/V） NaCl或100mmol/L木糖溶液中Xyl4900的酶活性仍高于50%,表现出较好的盐和木糖耐受性。动力学参数分析显示,Xyl4900的K_m     

嗜热拟青霉产胞外木糖苷酶发酵条件的优化

嗜热拟青霉J18是由本实验室筛选并保存的拟青霉新种。该菌能够利用玉米芯为碳源、尿素为氮源液体发酵高产胞外β-木糖苷酶。单因素优化试验表明:5%的粒度为0.45mm～0.9mm的玉米芯、1%尿素、初始pH6.5、温度为45℃是最佳产酶培养条件。在优化后的条件下,培养5d产β-木糖苷酶的活力最高达3.15U/mL,比酶活为2.43U/mg。该菌所产的木聚糖酶和木糖苷酶协同作用可将桦木木聚糖完全降解成木糖,水解24h后,其水解液中还原糖含量比只加入电泳纯木聚糖酶的水解液提高了64%。     

一种来源于Leifsonia shinshuensis DICP 16菌体的β-D-木糖苷酶的分离纯化及其性质

采用盐析、DE 52、Q-Sepharose Fast Flow阴离子交换层析、Toyopearl Butyl 650C疏水层析以及Sephacryl S-300 HR凝胶过滤层析联用的方法, 从Leifsonia shinshuensis DICP 16菌体中纯化出一种β-木糖苷酶.分离后该酶在SDS-PAGE 上呈单一蛋白质条带, 通过SDS-PAGE和凝胶过滤层析法, 测得该酶是一个由两个分子量约为91 kD的相同亚基组成的同源二聚体.其水解对硝基苯酚木糖苷(pNPX)的最适反应温度为55°C, pH值为7.0.该木糖苷酶在45°C以下, pH 6.0～11.0之间具有很好的稳定性.在45°C, pH值为7.0的条件下, 水解pNPX的Km, Vmax分别为1.04 mmol/L, 0.095 mmol/(min·mg).研究不同的金属离子对该酶的活性影响, 发现Fe2+和Cu2+是很强的抑制剂.通过对天然木糖苷化合物的水解测试, 发现该酶可以水解人参皂苷Rb3的木糖基, 产生人参皂苷Rd, 却不能水解紫杉烷木糖苷的木糖基.     

嗜热棉毛菌木糖苷酶Xyl43基因优化及其在毕赤酵母中高效表达

【目的】通过外源表达手段构建重组毕赤酵母实现木糖苷酶的高效表达。【方法】基于毕赤酵母密码子偏好性优化嗜热棉毛菌β-木糖苷酶(Xyl43)基因密码子,将其导入毕赤酵母GS115中实现分泌表达,并对重组木糖苷酶酶学性质进行分析。通过单因素实验优化高产菌株的摇瓶发酵条件,并在5 L发酵罐中进行扩大培养。【结果】Xyl43基因优化后的序列中222个碱基发生改变,G+C含量由52.8%降低到44.6%,序列一致性为78.17%;将构建的表达载体p PIC9K-Opt Xyl43电击转入毕赤酵母中,利用平板初筛和摇瓶复筛获得一株高效表达重组菌(命名为P.pastoris GS115-Xyl43);其所产重组木糖苷酶大小为51.5 k D,动力学参数Km为2.93 mmol/L、Vmax为157.9μmol/(min·mg),最适反应温度55°C,最适p H 7.0,在p H 6.0-9.5条件下具有良好的稳定性;摇瓶优化结果表明:培养基初始p H 6.0、甲醇补加浓度1.0%、培养温度28°C、摇床转速250 r/min为最佳产酶条件,在此条件下发酵144 h胞外酶活达到42 U/m L(蛋白含量0.54 g/L);5 L发酵罐放大培养,发酵156 h(甲醇诱导96 h),木糖苷酶酶活为222.2 U/m L,蛋白含量2.36 g/L,较摇瓶提高了4.3倍。【结论】木糖苷酶在毕赤酵母中实现了高效表达,具有较好的工业化应用前景。     

新型β-葡萄糖苷酶BglD2异源表达及水解虎杖苷能力

从海洋细菌Bacillus sp.D1中克隆、重组表达β-葡萄糖苷酶BglD2,研究其酶学性质,并对其水解虎杖苷制备白藜芦醇的能力进行分析。BglD2的最适催化温度和pH分别为45℃和6.5,在30℃和pH 6.5条件下的半衰期约为20 h。BglD2能够水解含β(1→3)、β(1→4)、β(1→6)等键型的多种底物。BglD2具有良好的糖促活特性,100 mmol/L葡萄糖和150 mmol/L木糖分别将酶活力提升2.0倍和2.3倍。BglD2具有较好的乙醇促活及耐受特性,30℃时,10%乙醇使酶活力提升1.2倍,25%乙醇存在时其仍保留60%的酶活力。BglD2具有水解虎杖苷制备白藜芦醇的能力,35℃条件下反应2 h水解率为86%。具有乙醇耐受及抗产物抑制等特性的β-葡萄糖苷酶BglD2在酶法水解虎杖苷制备白藜芦醇方面有应用潜力。     

新型耐热β-1,4-木糖苷酶的重组表达及酶学性质

【目的】拟对来源于热解纤维素果汁杆菌的新型β-木糖苷酶基因(CoXyl B)进行重组表达和酶学性质研究。【方法】在大肠杆菌系统中成功表达CoXyl B基因,并通过镍柱亲和层析、强阴离子交换和凝胶层析等纯化方法获得纯酶。【结果】对CoXyl B酶学性质的研究结果显示,在以4-对硝基苯酚-β-D-木糖苷为底物时,该酶的最适反应温度为90℃,最适反应pH为6.0。在40–70℃范围内CoXyl B酶活较高且比较稳定。在pH 5.0–6.0之间,70℃孵育1 h后,CoXyl B的相对酶活仍保留80%以上。Ag~+、高浓度的SDS和PMSF对酶活力的抑制作用较显著,而高浓度Mg~(2+)、Li~+和EDTA对酶活力的激活作用较为明显。CoXyl B的k_(cat)和K_m值分别为5.0×10~(–3)s~(–1)和1.9 mmol/L。薄层层析色谱显示CoXyl B具有降解木二糖、木三糖和木四糖的能力。【结论】本研究鉴定出CoXyl B为一种新型的极端耐热木糖苷酶,CoXyl B的酶学性质研究将为其在食品热加工以及生物降解领域中的应用提供参考。     

新鞘氨醇杆菌属9-1的纤维素酶基因Nspcel8A的克隆表达与酶学特性

木质纤维素转化成燃料酒精是缓解能源和环境危机的途径之一.降低将木质纤维素转化成生物燃料的生产成本,需要提高纤维素酶产量或筛选到具更高酶活性的纤维素酶.新鞘氨醇杆菌(Genus Novosphin-gobium)属于鞘氨醇杆菌科(Sphingomonads),该科的细菌新陈代谢多样化,能够降解有机化合物,也可应用于木质素的降解,但目前新鞘氨醇杆菌属细菌的纤维素酶基因的研究未见报道.本研究对新鞘氨醇杆菌属细菌菌株9-1的纤维素酶基因Nspcel8A进行了克隆表达和酶学特性鉴定.Nspcel8A含有属于糖基水解酶家族8的催化结构域.该酶在大肠杆菌中实现了异源表达并获得了表达产物.Nspcel8A对羧甲基纤维素(car-boxymethylcellulose,CMC)的最适作用pH值和温度分别为4.0和40℃,Nspcel8A具有良好的pH值稳定性,在pH值3.5～11.0范围内放置24 h后能够保持60％以上的酶活力.Nspcel8A对CMC的Km值为10 mg/mL,Vmax为14 μmol·min-1·mg-1.底物特异性测试显示Nspcel8A对CMC有最高的酶活力(8.40 U/mg),但对不可溶纤维维如磷酸膨胀纤维素和Avicel只有较低的酶活力或没有酶活.高效液相色谱法分析显示Nsp-ce18A 不能降解纤维二糖、纤维三糖、纤维四糖,能把纤维五糖部分降解成纤维二糖和纤维三糖,能把纤维六糖降解为纤维二糖、纤维三糖和纤维四糖,并以纤维三糖为主.以上结果显示Nspcel8A是一个内切葡聚糖酶,由于它不能水解结晶纤维素,说明它不是Novosphingobium sp.9-1主要的纤维素降解酶.     

白蚁肠道元基因组来源高温β-葡萄糖苷酶Bgl17的酶学性质

【目的】对短角球白蚁(Globitermes brachycerastes)肠道元基因组文库中筛选得到的一个新型β-葡萄糖苷酶编码基因bgl17进行酶学性质研究。【方法】通过克隆与异源表达得到纯的Bgl17酶蛋白,根据Bgl17对底物的水解活性测定其稳定性及动力学参数,利用薄层层析确定其水解产物。【结果】该酶属于糖基水解酶第一家族(GHF1),对其特异性底物4-硝基苯基-β-D-吡喃葡萄糖苷(pNPGlc)的最适反应温度为70 °C,最适pH为5.0。在最适反应条件下,该酶以pNPGlc为底物比活力为115.69 U/mg,以水杨苷为底物比活力为297.39 U/mg。以pNPGlc为底物时,其动力学参数Km值和Vmax分别为0.81 mmol/L和227.27 μmol/(mL·min)。在稳定性方面,该酶在50 °C处理1 h仍可保持50%的活性,在pH 5.0和6.0条件下,该酶的半衰期为1 h。【结论】该酶在较高的温度下具有较高的活性,且对水杨苷水解活性高,这点不同于已知的β-葡萄糖苷酶,推测其更有利于木质纤维素复杂结构的降解;该酶的最适温度远高于白蚁生存环境温度,可为研究白蚁降解纤维素的机理提供参考。     

低温木糖苷/阿拉伯呋喃糖苷酶AX543的基因克隆及性质研究

旨在获得在低温条件下具有高催化能力的低温木糖苷酶,并对其进行异源表达研究和酶学性质分析。利用Touch down PCR和TAIL PCR方法,从枝顶孢菌中克隆得到一个序列新颖的GH43家族双功能木糖苷酶/阿拉伯呋喃糖苷酶基因ax543,该酶基因在毕赤酵母中成功表达。酶学性质分析发现重组酶AX543的最适温度为25℃,在15℃和4℃仍有54%和21%的相对酶活;具有木糖苷酶和阿拉伯呋喃糖苷酶活性,并可以降解木二糖、木三糖、桦木木聚糖、榉木木聚糖和小麦阿拉伯木聚糖;可以与木聚糖酶Xyn11-1协同作用,协同度达1.46;具有高木糖/阿拉伯糖耐受性,抑制常数Ki分别为84.78 mmol/L和54.01 mmol/L。     

反刍兽月形单胞菌β-木糖苷酶基因在毕赤酵母中的高效表达及酶学性质

β-木糖苷酶(β-xylosidase,酶编号EC 3.2.1.37)是木聚糖降解酶系中的重要组成部分。本研究以毕赤酵母Pichia pastoris GS115为宿主菌尝试表达反刍兽月形单胞菌Selenomonas ruminantium中的β-木糖苷酶基因Sxa。根据毕赤酵母对密码子的偏爱性、mRNA二级结构、GC含量和稀有密码子,对Sxa基因进行优化;通过基因合成技术获得了全长基因mSxa并构建重组酵母表达载体pPIC9K-mSxa;以BglⅡ酶切重组载体pPIC9K-mSxa,电击转化将m Sxa基因导入毕赤酵母GS115中,获得的转化子经过表型和遗传霉素G418抗性筛选、PCR鉴定,得到表达β-木糖苷酶基因的工程菌GS115-pPIC9K-mSxa;通过活性测定获得高效表达β-木糖苷酶的重组酵母,并对重组β-木糖苷酶的酶学性质进行了初步研究。结果表明,重组β-木糖苷酶的分子量约为66 kDa。在发酵罐水平表达的酶活性达到了287.61 IU/mL。对酶学性质研究显示,该酶在温度为40-60℃,pH为5.0-7.0时较稳定,其最适反应温度和pH分别为55℃和6.0,专一性地作用于β-木糖苷键。Mn~(2+)和Ca~(2+)对该酶具有激活作用,而Fe~(3+)、Cu~(2+)、Co~(2+)、Mg~(2+)、EDTA及SDS抑制其酶活性。本研究首次将反刍兽月形单胞菌的β-木糖苷酶基因转化到毕赤酵母中获得表达,并具有较高活性,为进一步工业化应用奠定了基础。     

一种来源于Leifsonia shinshuensis DICP 16菌体的b-D-木糖苷酶的分离纯化及其性质

采用盐析、DE 52、Q-Sepharose Fast Flow阴离子交换层析、Toyopearl Butyl 650C疏水层析以及Sephacryl S-300 HR凝胶过滤层析联用的方法, 从Leifsonia shinshuensis DICP 16菌体中纯化出一种b-木糖苷酶。分离后该酶在SDS-PAGE 上呈单一蛋白质条带, 通过SDS-PAGE和凝胶过滤层析法, 测得该酶是一个由两个分子量约为91 kD的相同亚基组成的同源二聚体。其水解对硝基苯酚木糖苷(pNPX)的最适反应温度为55°C, pH值为7.0。该木糖苷酶在45°C以下, pH 6.0~11.0之间具有很好的稳定性。在45°C, pH值为7.0的条件下, 水解pNPX的Km, Vmax分别为1.04 mmol/L, 0.095 mmol/(min·mg)。研究不同的金属离子对该酶的活性影响, 发现Fe2+和Cu2+是很强的抑制剂。通过对天然木糖苷化合物的水解测试, 发现该酶可以水解人参皂苷Rb3的木糖基, 产生人参皂苷Rd, 却不能水解紫杉烷木糖苷的木糖基。     

一种来源于Leifsonia shinshuensis DICP 16菌体的b-D-木糖苷酶的分离纯化及其性质

采用盐析、DE 52、Q-Sepharose Fast Flow阴离子交换层析、Toyopearl Butyl 650C疏水层析以及Sephacryl S-300 HR凝胶过滤层析联用的方法, 从Leifsonia shinshuensis DICP 16菌体中纯化出一种b-木糖苷酶。分离后该酶在SDS-PAGE 上呈单一蛋白质条带, 通过SDS-PAGE和凝胶过滤层析法, 测得该酶是一个由两个分子量约为91 kD的相同亚基组成的同源二聚体。其水解对硝基苯酚木糖苷(pNPX)的最适反应温度为55°C, pH值为7.0。该木糖苷酶在45°C以下, pH 6.0~11.0之间具有很好的稳定性。在45°C, pH值为7.0的条件下, 水解pNPX的Km, Vmax分别为1.04 mmol/L, 0.095 mmol/(min·mg)。研究不同的金属离子对该酶的活性影响, 发现Fe2+和Cu2+是很强的抑制剂。通过对天然木糖苷化合物的水解测试, 发现该酶可以水解人参皂苷Rb3的木糖基, 产生人参皂苷Rd, 却不能水解紫杉烷木糖苷的木糖基。     

酿酒酵母木糖转运基因研究进展

由于对全球变暖等日益严重的环境问题的担忧,生产生物乙醇等清洁能源的技术正受到世界各国越来越多的关注。较之以粮食为原料生产乙醇,木质纤维素生产生物乙醇具有更大的发展潜力,因其来源广泛,廉价且可再生。以木质纤维素生产生物乙醇已经取得长足进步,但仍面临几个主要问题,比如天然酿酒酵母不能利用木糖发酵乙醇,木质纤维素酶成本过高,木质纤维素预处理环节成本高等。已经有基因改造的酵母菌株可以利用戊糖和己糖进行生物乙醇生产。然而,这些菌株对木糖的利用效率很低。这主要是因为酿酒酵母缺乏高效的特异性木糖转运基因,木糖运输依赖已糖转运基因。为了提高木糖利用速度,已有不少方法成功应用于构建重组酵母细胞。现对酵母木糖转运基因的最新研究进展进行简要概述。     

海枣曲霉β-木糖苷酶的提纯和性质

从海枣曲霉(Aspergillus phoenicis)麦麸培养物抽提液中。通过聚乙二醇6000-磷酸钾缓冲液双水相分离．相继用SephadexG-100凝胶过滤、DEAE—Sephadex A-50离子交换柱层析、羟基磷灰石吸附层析、DEAE-Sephadex A-50离子交换层析、SE—Sephadex C-50离子交换层析以及Sephadex G-50柱层析等提纯步骤,提纯到凝胶电泳均一的β-木糖苷酶。该酶的最适pH为3．5,最适温度为65 C．在pH3．5—6．5之间稳定,酶保温30分钟时的半失活温度(t1-2)为68C。酶的分子量勾95 000,等电点为4．4。Hg2-和Ag+对该酶有强烈的抑制作用。在所测定的底物中．Β-术糖苷酶仅对β-木精苷(pNP-β-Xyl)有强水解作用。其Km值为0．63mmol／L．Vmax为410 umol·min 1．Mg-1。D-木糖为β-木糖苷酶的竞争性抑制剂,其K．值为7．5mmol／L。     

马特链霉菌7-木糖紫杉烷糖基水解酶初步研究

酶法转化7-木糖紫杉烷(7-XDT)为10-脱乙酰基紫杉醇(10-DAT)是目前合成紫杉醇的最主要途径.本研究分离到一株具有产生7-木糖紫杉烷(7-XDT)糖基水解酶能力的马特链霉菌(Streptomyces matensi YUCM 410051),通过酶的最适反应温度、硫酸铵分级沉淀、最适反应pH和酶的有机试剂耐受等研究,发现最适反应温度为25～30℃,硫酸铵分级沉淀酶活在20％～70％的盐浓度时活性最高;粗酶液最适反应pH在6.0～7.5,酶的甲醇耐受浓度和DMSO耐受浓度均为10％.深入研究该酶对开发具有水解7-木糖紫杉烷(7-XDT)中木糖基的酶资源和提高红豆杉中的紫杉烷类化合物的利用率具有重要价值.     

产外切葡聚糖酶真菌的筛选鉴定及毕赤酵母中的表达

【目的】外切葡聚糖酶是纤维素酶组分中一类对结晶纤维素有降解作用的酶类,如何提高外切葡聚糖酶活力是研究的关键问题。【方法】从筛选鉴定得到的一株产外切葡聚糖酶酶活较高的黑曲霉Asp-524菌株出发,通过PCR技术克隆得到外切葡聚糖酶基因序列,生物学信息分析后,构建了毕赤酵母诱导型表达载体,实现了该基因在毕赤酵母中的成功表达。【结果】抗性筛选得到的阳性转化子,用终浓度为1%甲醇诱导5 d后,酶活达到4.74 U/mL。酶学性质分析显示重组外切葡聚糖酶最适pH为5.0,pH稳定性分析显示在pH为4.0-6.0范围内相对稳定,酶活能保持在最高酶活力的80%以上,最适反应温度为50°C,经60°C保温1 h后,酶活仍能保持80%以上。【结论】结果说明该外切葡聚糖酶具有较好的热稳定性和pH稳定性,这一研究为纤维素酶的实际应用奠定了一定基础。     

产自Aspergillus sp. DLCS-F18的嗜酸嗜热纤维素酶及其酶学性质

纤维素酶在饲料、造纸、纺织和纤维素乙醇生产等领域有重要用途,因而备受关注。使用稻草为唯一碳源进行纤维素降解微生物的富集,从云南大理苍山地区的土壤样品中筛选获得1株纤维素降解真菌DLCS-F18,其适宜生长温度为15-40℃、pH 2.0-13.0。通过形态学和ITS rRNA分子生物学鉴定,菌株DLCS-F18被鉴定为曲霉属菌株Aspergillussp.。使用稻草发酵培养基进行诱导,发现该菌株所产纤维素酶的最适pH为4.0,最适温度为65℃,在pH 3.0保持85%的活性,在75℃保持70%以上的活性,在大多数金属离子和酶抑制剂存在的条件下活性表现稳定。菌株发酵84h的上清对羧甲基纤维素钠（CMC-Na）的最高活性为(5.4±0.2)U/mL。这说明DLCS-F18所分泌的纤维素酶是嗜酸嗜热纤维素酶,其酶学特性预示着菌株在木质纤维素水解和动物饲料中具有广阔的应用前景。     

β-木糖苷酶的生物活性物质转化功能研究进展

β-木糖苷酶是木聚糖酶酶系的一种酶,其功能主要是降解半纤维素中最常见及含量最高的组分——木聚糖。近些年,研究人员发现一些微生物来源的β-木糖苷酶具有生物活性物质转化功能,可通过转糖基作用形成带有木糖基的生物活性物质,也可通过水解作用将带有木糖基的物质,如三七皂苷R1和R2、黄芪甲苷IV (astragaloside IV,ASI)、7-木糖-10-去乙酰紫杉醇(7-xylosyl-10-deacetyltaxol,XDT)和花青素转化为生物活性物质,因此,这些β-木糖苷酶在食品和医药等领域具有巨大的潜在应用价值。此外,研究人员揭示了β-木糖苷酶在生物活性物质转化功能方面的一些机制。本文主要介绍了β-木糖苷酶的生物活性物质转化功能、酶来源、家族分类、转化机制及应用,以期为β-木糖苷酶的进一步开发利用提供参考。