V1C、G116D、N171H定点突变对黑曲霉(Aspergillus niger)XZ-3S木聚糖酶XynZF-2热稳定性的影响

[目的]探索V1C、G116D、N171H定点突变对木聚糖酶Xyn ZF-2热稳定性的作用。[方法]生物信息学方法确定木聚糖酶Xyn ZF-2可突变位点,引入Cys、Asp、His;定点突变V1C、G116D、N171H,PCR扩增突变基因xyn CDH,构建大肠杆菌表达载体,转化表达宿主大肠杆菌BL21(DE3),诱导表达目的蛋白并测定酶活,分析酶学性质。[结果]突变酶Xyn CDH的最适温度由40℃上升到45℃。40℃条件下突变酶Xyn CDH半衰期t40℃1/2由55 min延长到60 min;在45℃条件下,突变酶Xyn CDH的半衰期t45℃1/2由7min提高到15 min。[结论]定点突变V1C、G116D、N171H能增强木聚糖酶Xyn ZF-2热稳定性,为加深木聚糖酶分子改造的研究提供参考。     

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。     

木聚糖酶Xyn Ⅱ的D37N突变、表达及酶学性质变化

对来源于宇佐美曲霉(Aspergillus usamii)E001的木聚糖酶Xyn Ⅱ进行同源建模和序列比较,发现第11族木聚糖酶的催化结构域在β折叠股A3和B3之间存在一个保守的氨基酸位点,该位点与木聚糖酶的pH特性有关,据此设计了Xyn Ⅱ的D37N定点突变.酵母表达的Xyn ⅡD37N 经纯化后与原酶Xyn Ⅱ(同样经毕赤酵母表达后纯化)进行酶学性质比较,结果表明,Xyn ⅡD37N 的最适pH由4.2升高到5.3,pH稳定范围由3.0～7.5缩减为3.0～5.5,但最适温度和热稳定性基本保持不变.结果证实,木聚糖酶Xyn Ⅱ的第37位Asp与最适pH相关,为进一步的结构与功能研究提供了理论基础.     

定向引入N-糖基化位点改进黑曲霉β-1,4-内切木聚糖酶热稳定性

【背景】木聚糖是生物圈中仅次于纤维素的第二大多糖,其结构复杂,完全降解需要多种木聚糖酶协同作用。β-1,4-内切木聚糖酶是木聚糖主链水解过程中最关键的酶,已广泛应用于饲料、造纸、能源、食品和医药等行业。但在实际应用中,由于真菌木聚糖酶的热稳定性较差,限制了其在工业中的应用。【目的】提高来源于黑曲霉(Aspergillusniger)的β-1,4-内切木聚糖酶(xynB)热稳定性。【方法】采用氨基酸虚拟突变技术对xynB定向引入一个N-糖基化位点,将虚拟突变后筛选获得的候选突变体和野生型在毕赤酵母SMD1168中表达,并对纯化后的野生型和突变体酶进行酶学性质和稳定性分析。【结果】经虚拟突变和筛选获得5个候选突变体,在毕赤酵母SMD1168中成功表达了4个突变体,其中3个突变体发生了糖基化。突变体和野生型酶均表现出宽范围的酸碱耐受性,且突变体xynB~(A92N/D94T)在pH4.0–11.0条件下的稳定性明显优于野生型;糖基化突变体xynB~(A92N/D94T)、xynB~(G66N/A68T)和xynB~(G66F/D67N/G69T)在温度为60–80°C时热稳定性明显高于野生型,xynB~(G66N/A68T)在80°C保温30 min后的残留酶活比野生型提高了约30%。【结论】本研究方法可为其他来源木聚糖酶和其他工业酶的热稳定分子改造提供参考。     

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。     

肠激酶轻链在毕赤酵母中的组成型表达

[目的]构建牛肠激酶轻链(EK_L)毕赤酵母组成型高效分泌表达系统。[方法]人工合成MF-α信号肽与EK_L融合基因,克隆于pGAPzα-A和野生毕赤酵母X-33。镍柱纯化EK_L,内切糖苷酶H(Endo H)消化法鉴定糖基化,软件分析糖基化位点,以含EK_L位点的融合蛋白作底物验证酶学活性。[结果]获得了8株EK_L的高抗性毕赤酵母转化子,其中7株可组成型分泌表达目的蛋白,在摇瓶中表达水平约为20 mg/L。分析表明,EK_L表达产物为分子量约43 kDa的N型糖基化蛋白,可有效切割含识别位点的融合蛋白。[结论]成功构建了EK_L毕赤酵母组成型高效分泌表达系统。     

极端耐热木聚糖酶基因在大肠杆菌和毕赤酵母中的高效表达

以海栖热袍菌 (Thermotoga maritima) MSB8菌株基因组DNA为模板,通过PCR扩增出木聚糖酶（XylanaseB）基因, 将此基因克隆至大肠杆菌表达载体pET_28a（+）和毕赤酵母表达载体pPIC9K,并分别转化大肠杆菌 BL21和毕赤酵母GS115。该木聚糖酶在大肠杆菌细胞中表达量高, 但不能分泌; 而在毕赤酵母细胞的表达产物可分泌至胞外。酶学性质分析表明,此酶分子量约为40kD,其最适反应温度为90℃, 最适反应pH值为6.65,且在碱性条件下稳定,具有重要的工业应用前景。     

嗜热厌氧菌Caldicellulosiruptor sp. F32中降解β-1,3-1,4葡聚糖水解酶的协同性分析及糖基化对F32EG5热稳定性影响

【目的】通过研究来自极端嗜热厌氧菌Caldicellulosiruptor sp. F32中3个可降解β-1,3-1,4葡聚糖(β-葡聚糖)的糖苷水解酶,解析其在降解β-葡聚糖过程中协同作用,以及异源表达的糖基化修饰对β-葡聚糖酶F32EG5热稳定性的影响,为该系列水解酶的应用提供考据。【方法】通过大肠杆菌异源表达β-葡聚糖酶F32EG5和Lam16A-GH,以及β-葡萄糖苷酶BlgA,利用DNS、TLC等方法检测其在β-葡聚糖降解过程中的协同性及底物耐受能力。随后,利用毕赤酵母对F32EG5进行异源表达,以及对糖基化修饰的p-F32EG5进行酶学对比。【结果】β-葡聚糖酶F32EG5和Lam16A-GH单独作用于底物时,水解产物不同。但混合使用时,低聚合度寡糖的比例增加。β-葡萄糖苷酶BlgA分别与F32EG5和Lam16A-GH复配时,均展示出良好的协同效应和底物耐受能力。此外,利用毕赤酵母异源表达的p-F32EG5,没有明显改变其最适pH和最适温度,但在超高温下(80–90°C)的热稳定性和催化效率相对于未被糖基化的F32EG5提高2倍以上。【结论】葡萄糖糖苷水解酶BlgA分别与β-葡聚糖酶F32EG5、Lam16A-GH复配,在水解β-葡聚糖过程中表现出良好的协同性和底物耐受能力,同时毕赤酵母异源表达的糖基化修饰能提高在超高温环境下的热稳定性能,有利于酶制剂生产造粒过程中的酶活保留,从而使F32EG5具备应用化潜力。     

酸性木聚糖酶XynⅡ活性中心关键氨基酸残基的鉴定

目的:鉴定来源于宇佐美曲霉(Aspergillus usamii)E001的酸性木聚糖酶XynⅡ活性中心关键氨基酸残基。方法:对XynⅡ进行SWISS-MODEL同源建模和BLAST序列比较,分析XynⅡ中所有可能作为催化残基的保守氨基酸,采用定点突变手段对其进行鉴定研究。结果:只有Glu-79和Glu-170位于酶与底物作用的活性中心,它们分别位于β折叠股B6和B4上,推测Glu-79和Glu-170为XynⅡ活性中心关键氨基酸残基。将Glu-79和Glu-170突变为酸性的Gln,突变酶E79Q,E170Q在大肠杆菌和毕赤酵母中表达后,活性均丧失。结论:79位、170位Glu是木聚糖酶XynⅡ活性中心的关键氨基酸残基,为该酶进一步的结构与功能研究提供了理论基础。     

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...     

来源于瘤胃厌氧真菌Neocallimastix frontalis木聚糖酶在毕赤酵母中的表达

厌氧真菌Neocallimastix frontalis是瘤胃中降解木聚糖和纤维素的主要微生物之一,其木聚糖酶具有潜在的应用价值。对来源于Neocallimastix frontalis木聚糖酶基因Xyn11B进行密码子优化;通过全基因合成优化后的木聚糖酶基因Xyn11Bm,构建该基因的酵母表达载体p PIC9K-Xyn11Bm,并在毕赤酵母GS115中诱导表达。摇瓶水平时,重组Xyn11Bm酶活性最高为4 874.8U/m L。在10 L发酵罐中诱导96 h后,重组Xyn11Bm的酶活性为5 139.7 U/m L,菌体湿重和干重达到216.7 g/L和117.3 g/L。酶学性质分析表明,重组Xyn11Bm的最适反应温度为50℃,最适反应p H为5.0。在p H5.0-8.0时该酶具有较好的稳定性,但温度稳定性较差。底物特异性分析表明,重组Xyn11Bm可水解燕麦木聚糖、桦木木聚糖和可溶性木聚糖4-O-Me-D-glucurono-D-xylan,但不降解地衣多糖和大麦β-葡聚糖。结果表明重组Xyn11Bm具有潜在的应用价值。     

N13D、S40E点突变提高木聚糖酶XYNB的热稳定性

对来源于Streptomyces olivaceoviridis的高比活木聚糖酶XYNB进行同源建模和序列比较,设计了N13D、S40E的定点突变,以期改善中温酶XYNB的热稳定性。突变酶N13D、S40E分别在毕赤酵母中表达,经纯化后与野生型酶XYNB(同样经毕赤酵母表达后纯化)进行酶学性质比较,结果表明,突变酶N13D和S40E在70℃处理5min,热稳定性比XYNB分别提高了24.76%和14.46%;突变酶N13D的比活性比XYNB提高了22%。在其他性质方面突变酶N13D、S40E与野生型酶XYNB基本相似。通过对木聚糖酶XYNB的定点突变,提高了该酶的热稳定性,并为结构与功能的进一步研究提供了材料。     

黑曲霉木聚糖酶Xyn43A基因的克隆和生物信息学分析

[目的]克隆黑曲霉木聚糖酶(Xyn43A)基因,进一步对其进行生物信息学分析。[方法]利用3'RACE与5'RACE技术,克隆Xyn43A全长cDNA序列,扩增Xyn43A的DNA序列,并进行序列分析。[结果]cDNA全长1152bp(不含Poly(A)),包含一个957bp开放阅读框,编码信号肽19个氨基酸,成熟肽299个氨基酸,5'与3'非编码区分别为113bp、82bp。预测该蛋白相对分子量为33.47kDa,等电点为4.55。该序列含一个长度为86bp的内含子。Xyn43A为亲水性稳定蛋白,有4个N-糖基化位点,26个磷酸化位点。与GH43族木聚糖酶亲缘性较近,具有GH43族糖基水解酶典型的5叶片螺旋桨结构。[结论]克隆了一个新的木聚糖酶基因,属于GH43族糖基水解酶。     

核酸去甲基酶AlkB在毕赤酵母中的表达纯化及在tRNA相关研究中的应用

[目的]核酸的甲基化修饰是一种常见的化学修饰形式,具有重要的生物学功能,却也在一定程度上给一些核酸研究过程带来了技术难度。tRNA上具有的大量甲基化修饰会阻碍逆转录进程,从而降低荧光定量PCR (real-time fluorescence quantitative polymerase chain reaction,RT-qPCR)和高通量测序对其的检测效率。来自大肠杆菌(Escherichia coli)的AlkB蛋白是一种多功能的脱烷基化酶,可以去除DNA和RNA上多种甲基化为代表的修饰,有望解决以上问题。[方法]针对大肠杆菌来源的AlkB,分别尝试在大肠杆菌和毕赤酵母(Pichia pastoris)表达系统中进行诱导表达和纯化,对纯化获得的AlkB进行酶学性质测定。最后以tRNA_UAU^Ile等两种tRNA为代表,研究AlkB的处理对于荧光定量PCR法检测tRNA表达水平的影响。[结果]AlkB在大肠杆菌中表达时多以包涵体形式存在,但是在毕赤酵母中可以成功分泌表达。使用镍柱分离纯化后获得了纯度高于95%的AlkB蛋白,其酶学性质参数如...     

嗜热木聚糖酶基因在毕赤酵母中的表达及其酶学性质

木聚糖酶Umxyn10A,属于GH10家族,包含一段跨膜区和GH10家族催化功能域,将跨膜区去掉后,剩余部分重命名为Umxyn10AQ。按毕赤酵母密码子偏好性将Umxyn10AQ序列进行密码子优化,与毕赤酵母表达载体p PIC9K相连。重组质粒p PIC9K-Umxyn10AQ经SalⅠ单酶切线性化后转至毕赤酵母(Pichia pastoris)GS115。经G418筛选得到重组毕赤酵母菌株GS115/Umxyn10AQ,每12 h添加1%甲醇诱导剂。DNS法测定重组木聚糖酶re Umxyn10AQ酶活,最高酶活达到15 U/m L,SDS-PAGE分析表明,re Umxyn10AQ相对分子质量为45.0 k D。重组木聚糖酶re Umxyn10AQ的最适p H为8.0,最适反应温度85℃,Co2+对该酶活有显著促进作用,提高了近20%,水解产物为木糖(14%)、木二糖(86%)。结果表明,木聚糖酶Umxyn10AQ在毕赤酵母中成功表达并且分泌到胞外,相较于大肠杆菌表达产物Umxyn10A,最适p H提高了1.5个单位、最适温度提高了10个单位,p H耐受性和温度耐受性都有所改善,并且主要水解产物仍为木二糖。     

嗜碱细菌Cellulomonas bogoriensis 69B4T木聚糖酶的表达纯化及性质研究

【目的】对嗜碱细菌Cellulomonas bogoriensis 69B4~T产碱性木聚糖酶进行研究,克隆来源于该菌株的木聚糖酶基因,并对其进行异源表达、纯化及酶学性质的表征,为后续研究碱性木聚糖酶的耐碱机制及应用奠定基础。【方法】采用单因素分析法对菌株产碱性木聚糖酶情况进行研究;通过基因组分析,锚定5个内切木聚糖酶基因,利用同源扩增的方法进行克隆,并在大肠杆菌中重组表达,利用亲和层析对重组酶进行纯化,以木聚糖为底物表征木聚糖酶的酶学性质。【结果】来源于C. bogoriensis 69B4~T的5种木聚糖酶Xyn370、Xyn393、Xyn425、Xyn466和Xyn486均在大肠杆菌内实现了异源表达,并经亲和层析获得纯酶组分,其最适反应温度分别为60、50、40、40、60°C,在50°C范围内保温2h,残余酶活均在90%以上;最适反应p H分别为7.0、8.0、8.0、8.0、9.0,在p H5.0–9.0时具有较好的稳定性;5种重组木聚糖酶对部分金属离子和高浓度盐表现出较好的耐受性,对榉木木聚糖的酶活性最高,均为内切型木聚糖酶。【结论】本研究表达纯化的5种重组木聚糖酶具有耐盐碱的优良特性,且对温度、某些金属离子和化学试剂耐受,为研究木聚糖酶的耐碱机制及工业应用提供了酶源。     

Expression of Humicola insolens (NC3) endo-β-glucanase Ⅱgene in Pichia pastoris and anylysis of enzymic properties

[目的]在毕赤酵母中表达特异腐质霉Humicola insolens的中性内切葡聚糖酶Ⅱ,并对其性质加以研究.[方法]利用RT-PCR的方法,以特异腐质霉(Humicola insolens)NC3总RNA为模板,克隆到中性内切葡聚糖酶Ⅱ基因(egⅡ的cDNA.将其插入表达载体pPIC9K,重组质粒经线性化后电击转化毕赤酵母(Pichia pastoris)菌株GS115.[结果]SDS-PAGE和酶活的检测结果均表明:egⅡ基因在毕赤酵母中成功表达.重组酶的部分酶学性质研究表明,该酶的最适反应温度为70℃,且在65℃以下具有较好的热稳定性.最适反应pH为6.5,在pH 6.0-7.0之间有较好的稳定性.[结论]用重组毕赤酵母可高效表达外源中性内切葡聚糖酶,为其今后在工业应用奠定了基础.     

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。     

超嗜热酯酶EST2在不同宿主中的异源高效表达研究

来源于超嗜热古菌Alicyclobacillus acidocaldarius的酯酶EST2是目前报道的活性最高的超嗜热酯酶,具有极大的工业应用价值。为促进EST2的生产应用,将其分别在大肠杆菌及毕赤酵母中进行异源表达,并就不同宿主对表达情况和重组酶酶学性质的影响进行了分析。在大肠杆菌和毕赤酵母中重组表达的EST2酶学性质基本一致:最适温度分别为75℃和77.5℃,最适pH均为8.0,比活力分别为4656.6 U/mg和4078.3 U/mg,70℃水浴保温4.5 h,残余活力均在70%以上。在摇瓶发酵的基础上,于5 L发酵罐中进行了重组大肠杆菌及毕赤酵母的高密度发酵。毕赤酵母高密度发酵120 h菌体干重达68 g/L,最大表达酶活力为959.6 U/ml。大肠杆菌高密度发酵25 h菌体干重达60.8 g/L,最大酶活力14825.6 U/ml,表达量是毕赤酵母的15.4倍,单位时间产量是酵母的74.2倍。结果表明大肠杆菌发酵周期短、表达量高,更适合进行嗜热酯酶EST2的高效生产,这为促进嗜热酯酶在工业生物技术产业的应用奠定了基础。     

C-端引入二硫键对黑曲霉木聚糖酶XynZF-2热稳定性的影响

同源比对黑曲霉XZ-3S木聚糖酶基因xyn ZF-2氨基酸序列,模拟构建木聚糖酶三维结构,确定能够提高酶热稳定性的最佳突变位点。在C-端引入二硫键,突变xyn ZF-2 205位点的色氨酸和52位点的丙氨酸为半胱氨酸,获取突变基因T205C-A52C,表达于大肠杆菌BL21(DE3)。酶学性质比较发现,突变酶Xyn ZFT205C-A52C的最适温度为50℃,比原酶Xyn ZF-2提高了10℃;50℃保温5 min,突变酶相对酶活性为55.36%,原酶相对酶活性为32.62%;原酶与突变酶最适p H均为5.0,但相同p H下突变酶的相对酶活性较原酶高;突变酶的p H稳定区间由原酶的5.0~9.0扩大为3.0~9.0。因此,定点突变T205C和A52C在C-端引入二硫键能提高黑曲霉木聚糖酶Xyn ZF-2热稳定性及p H稳定性。