基于结构基础的嗜热细菌贝斯其热解纤维素菌木聚糖酶CbXyn10C的热稳定性分子改良

【背景】作为降解木聚糖的核心酶种,木聚糖酶可以有效促进木质纤维素的消化水解,在动物养殖领域应用广泛。来源于嗜热细菌贝斯其热解纤维素菌(Caldicellulosiruptorbescii)的GH10家族木聚糖酶Cb Xyn10C最适温度为85℃,在80℃条件下具有良好的热稳定性,具有饲料工业应用潜力。【目的】为满足饲料制粒尤其是水产饲料加工过程的工艺要求,进一步提高木聚糖酶Cb Xyn10C的热稳定性并阐明其耐热机理。【方法】以Cb Xyn10C晶体结构为基础,采用刚性氨基酸引入、疏水作用网络重排2种策略对其热稳定性进行理性设计,获得在100℃条件下比活提高的单点突变体后,通过有益突变位点叠加策略进一步提升酶的热稳定性,最后采用分子动力学模拟技术分析其热稳定性提高的分子机制。【结果】共获得了4个稳定性提高的单点突变体A45P、T69P、F309V和A325P,其中突变体A45P效果最优。随着在A45P基础上另外3个突变位点的叠加,酶的热稳定性在不损失酶活的前提下得到了逐步提升。获得的四点突变体A45P/F309V/A325P/T69P的耐热性最好,其最适反应温度和熔解温度Tm值较野生型...     

蜂房哈夫尼菌植酸酶基因appA的克隆、表达及酶学性质研究

从蜂房哈夫尼菌（Hafnia alvei）中克隆获得一个植酸酶编码基因appA, 该基因全长1335bp,编码444个氨基酸,其中前33个氨基酸为信号肽,成熟蛋白的理论分子量为45.2kD。将基因appA 克隆到大肠杆菌E. coli表达载体pET-22b(+),并在大肠杆菌中表达, 表达产物具有植酸酶活性。对表达的酶蛋白进行纯化,并初步研究了该酶的酶学性质,结果表明：酶的作用最适pH值为4.5;在pH 2.0～10.0范围内, 酶活性保留80％以上;酶的作用最适温度为60℃;酶的比活性为356.7U/mg,酶动力学分析表明其K,/i>_m为0.49mmol/L,V_max为238U/mg;该酶对胰蛋白酶和胃蛋白酶有一定的抗性。该研究为哈夫尼菌属来源植酸酶的首次报道。     

毕赤酵母表达的嗜热蓝状菌β-葡萄糖苷酶N-糖基化修饰的作用与功能

【目的】研究N-糖基化对来源于嗜热蓝状菌β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase,Bgl3A)的酶学性质影响。【方法】采用定点突变技术构建了3个去N-糖基化的突变体T44A、S228A、S299A,并分别在毕赤酵母GS115中表达纯化。【结果】与野生型Bgl3A相比,突变体S228A分泌蛋白产量极低,仅能微量检测到p NPG活性;突变体T44A和S299A的最适pH和最适温度没有改变,分别为4.0和75°C,但二者的T_m值和70°C下的热稳定性都明显优于野生型。以p NPG为底物时,突变体S299A和T44A的催化效率分别降低了14.5%和70.0%;以纤维二糖为底物时,T44A的催化效率基本不变,而S299A的催化效率提高了1.1倍。【结论】Bgl3A不同位点的N-糖基化修饰对酶的分泌和酶学性质的影响具有明显差异。其中,N226位的N-糖基化在维持酶的表达和功能方面至关重要,而去除N297位点的N-糖基化可以提高酶的热稳定性及对纤维二糖的催化效率。     

通过N端替换提高木聚糖酶的热稳定性

以来源于Thermomonospora fusca的耐高温木聚糖酶TfxA和来源于Streptomycesolivaceoviridis的高比活木聚糖酶XYNB为亲本,构建出耐热高比活融合木聚糖酶TB,将TB在大肠杆菌BL21和毕赤酵母GS115中进行表达并对表达产物的酶学性质进行分析比较。分析表明,融合蛋白TB最适pH值为6.0,最适温度为70℃,较XYNB有大幅度的提高;在热稳定性方面,TB明显优于XYNB,将两种稀释好的酶液分别在80℃和90℃下热处理3min,TB的热稳定性较XYNB提高了6倍左右;TB的pH稳定性为5～9(相对剩余活性在50%以上的pH范围),较XYNB有所下降,但两者的比活性基本不变,保持了亲本XYNB的高比活性。通过同源建模和序列比较,分析了可能影响融合蛋白TB酶学性质的因素,为进一步研究木聚糖酶的结构与功能提供了新的思路。     

β-甘露聚糖酶Man5A和木聚糖酶Tlxyn11B的融合表达

甘露聚糖酶和木聚糖酶是主要的半纤维素降解酶,在食品、饲料、纺织、造纸等工业应用广泛且通常搭配使用。文中将蓝状菌Talaromyces leycettanus JCM12802来源的性质优良的甘露聚糖酶编码基因man5A的CBM(Carbohydrate-bindingmodule)编码区去除,留下连接区和催化区,并将木聚糖酶基因Tlxyn11B成熟区编码序列与man5A的连接区进行融合,形成Tlxyn11B-linker-man5A融合基因,并在毕赤酵母中成功表达,获得了融合蛋白Tlxyn11B-Man5A。Tlxyn11B、不含CBM区的Man5A和Tlxyn11B-Man5A的理论分子量分别为21.6kDa、41.0 kDa、62.6 kDa。对纯化后的融合蛋白进行了性质分析,融合蛋白同时具有高的木聚糖酶和甘露聚糖酶活性。融合后的木聚糖酶的最适温度为70℃,较单独表达时提高了5℃。甘露聚糖酶的最适温度为90℃,与融合前一致。融合后的木聚糖酶热稳定性明显提高,60℃处理1 h剩余48%的酶活力,单独表达的木聚糖酶60℃处理20 min仅剩余20%的酶活力。融合后的木聚糖酶和甘露聚糖酶的最适pH分别为4.0和5.0,较单独表达时分别提高了0.5和1.0个单位,融合后酶的作用pH范围有所拓宽。融合前后的蛋白均具有较好的pH稳定性。融合后木聚糖酶和甘露聚糖酶的比活分别为1 784.3 U/mg和1 639.6 U/mg,较单独表达时比活(8 300 U/mg和1 979 U/mg)降低,与融合酶分子量增大相关。融合后的木聚糖酶和甘露聚糖酶的K_m值分别为1.2 mg/mL和1.7 mg/mL, V_(max)分别为2 000.0μmol/(min·mg)和2 831.6μmol/(min·mg)。综合其性质特点,融合木聚糖酶和甘露聚糖酶在饲料、食品等工业生产中有较大应用潜力,并为酶的性能改良提供了新的思路。     

链霉菌Streptomyces olivaceoviridis A1-木聚糖酶基因xynA在大肠杆菌及毕赤酵母中的高效表达

从橄榄绿链霉菌Streptomyces olivaceoviridis A1中克隆出木聚糖酶基因xynA,将带与不带原基因信号肽编码序列的xynA分别以正确的阅读框架克隆到大肠杆菌表达载体pET22b(+)上的pellB信号肽编码序列之后,得到2种构建的重组载体,在重组大肠杆菌中木聚糖酶得到了表达,表达产物具有生物活性。进一步将不带原基因信号肽编码序列的xynA插入到毕赤酵母转移载体pPIC9中,转化毕赤酵母得到重组子,在重组子中木聚糖酶基因得到了高效分泌表达,在摇床培养水平上的表达量达到200mg/L,且表达产物具有生物学活性。     

链霉菌Streptomyces olivaceoviridis A1 木聚糖酶基因xynA在大肠杆菌及毕赤酵母中的高效表达

从橄榄绿链霉菌StreptomycesolivaceoviridisA1中克隆出木聚糖酶基因xynA ,将带与不带原基因信号肽编码序列的xynA分别以正确的阅读框架克隆到大肠杆菌表达载体pET 2 2b( )上的pellB信号肽编码序列之后 ,得到 2种构建的重组载体 ,在重组大肠杆菌中木聚糖酶得到了表达 ,表达产物具有生物活性。进一步将不带原基因信号肽编码序列的xynA插入到毕赤酵母转移载体pPIC9中 ,转化毕赤酵母得到重组子 ,在重组子中木聚糖酶基因得到了高效分泌表达 ,在摇床培养水平上的表达量达到 2 0 0mg L ,且表达产物具有生物学活性。     

来源于橄榄绿链霉菌A1的高比活木聚糖酶XYNB的高效表达及性质的比较分析

高效表达高比活木聚糖酶是进一步提高木聚糖酶发酵效价、降低其生产成本的有效途径。将橄榄绿链霉菌(Streptomyces olivaceoviridis) A1的高比活木聚糖酶成熟蛋白编码基因xynB克隆到毕赤酵母表达载体pPIC9中,转化毕赤酵母得到重组酵母,在重组酵母中木聚糖酶基因得到了高效分泌表达,且表达产物具有生物学活性。在3L发酵罐中蛋白表达量约14mg/mL, 酶活性(效价)为1200IU/mL。SDSPAGE分析表明,表达的木聚糖酶XYNBa为糖基化蛋白, 分子量为31kD, 经脱糖基化处理得到21kD 的XYNBb, 与橄榄绿链霉菌A1所产原酶XYNB大小一致。通过对XYNB、XYNBa及XYNBb酶学性质的比较发现：三者在比活性、Vmax及热稳定性方面有较大差异。该酶对不同木聚糖的酶解产物的糖份分析表明：酶解产物的主要成分为木二糖、木三糖和木四糖,占总糖含量的95%以上。     

Aspergillus fumigatus来源植酸酶的Q23L和Q23LG272E突变研究

Aspergillus fumigatus来源的植酸酶具有热稳定性好、pH作用范围广的优点,但其比活性很低。设计的植酸酶Q23L突变能在pH4.5～7.0范围内大幅提高比活性,但pH稳定性却显著下降,为了进一步改良Q23L的pH稳定性,在Q23L分子上加入了G272E突变。将原酶、突变酶Q23L和突变酶Q23LG272E分别在毕赤酵母GS115中表达,表达酶经纯化后进行酶学性质比较分析,结果表明:突变酶Q23L的比活性比原酶显著提高,在pH5.5比活性由51u/mg提高到109u/mg,但其pH稳定性,尤其是在pH3.0～4.0酸性条件下的稳定性却显著降低,低于80%。突变酶Q23LG272E在pH3.0～4.5和pH6.5～7.0时的稳定性比Q23L有所提高,恢复到原酶的水平,而比活性基本维持在Q23L的水平。通过一级序列和三维结构比较,分析了可能影响Q23LG272E酶学性质的因素,为进一步研究植酸酶的结构与功能提供了材料。     

嗜热子囊菌JCM12803来源的双功能木聚糖/纤维素酶

纤维素和木聚糖的充分利用对于生物燃料的生产是非常重要的。文中利用PCR的方法从嗜热子囊菌Thermoascus crustaceus JCM12803中克隆到一个新颖的双功能木聚糖/纤维素酶基因Tcxyn10a,并将其在毕赤酵母Pichia pastoris GS115中实现高效异源表达。经过蛋白纯化和酶学性质研究分析,TcXyn10A的最适pH值和最适温度分别为5.0和65-70℃,能够在酸性至碱性(pH 3.0-11.0)条件下和60℃下保持稳定;对榉木木聚糖、小麦阿拉伯木聚糖、羧甲基纤维素钠和地衣多糖均有降解活性,比活分别为(1 480±26)U/mg、(2 055±28)U/mg、(7.4±0.2)U/mg和(10.9±0.4)U/mg;同源建模结构以及分子对接试验表明,双功能酶TcXyn10A只含有单一催化结构域,且木聚糖底物与纤维素底物共用一条催化通道。文中为探索双功能酶结构与其功能的关系提供了很好的素材。