褐藻胶裂解酶的结构及催化机制研究进展

褐藻胶是由β-D-甘露糖醛酸及其C_5差向异构体α-L-古罗糖醛酸所组成的酸性多糖。褐藻胶裂解酶是多糖裂解酶的一种,可以将褐藻胶降解成寡糖或者单糖。近年来随着结构生物学的发展,越来越多褐藻胶裂解酶的结构及催化机制得到解析。本文中,笔者介绍了不同家族褐藻胶裂解酶结构以及催化机制的研究进展。根据酶序列来分,褐藻胶裂解酶分属到多糖裂解酶的7个家族;从结构上来看,褐藻胶裂解酶通常采取3种结构:β果冻卷、(α/α)_n桶状结构和β螺旋结构。褐藻胶裂解酶通过β消除的方式来降解褐藻胶,根据催化过程中有无金属离子的辅助,褐藻胶裂解酶的催化机制又可进一步分为His(Tyr)/Tyr型β消除和金属离子辅助的β消除。本文可以为褐藻胶裂解酶的应用提供一定的理论依据。     

生物质多糖的高效降解与降解酶（系）的精确定制

自然界中多糖类生物质资源十分丰富,然而其复杂的抗降解屏障限制了生物转化的进程.近年来,随着生物质多糖结构的快速解析以及大量多糖降解酶的鉴定研究,针对不同底物结构或产物需求,仿制高效微生物多糖代谢途径,精确定制多糖降解酶系,促进生物质高效转化已成为可能.本文分析中性多糖(纤维素和木聚糖)、碱性多糖(几丁质和壳聚糖)以及酸性多糖(褐藻胶)的精细结构组成与基团性质,总结3类多糖主要降解酶的活性架构特征及其底物精确结合模式.文章还阐述蛋白质工程设计与定制策略,针对酶分子不同功能区的分析,可为酶分子的功能快速设计与改造提供靶点,以获得适宜于工业应用的高效酶分子,此外,根据微生物胞外降解酶系的降解次序与协同关系,可基于应用需求精确定制复杂多糖降解酶系,实现生物质的高效与高值降解转化.     

基于序列和结构分析的酶热稳定性改造策略*

功能酶被广泛应用于食品、化工、医药等领域,但却容易受高温环境限制,导致催化效率降低。以分子改造为目的的蛋白质工程技术是解决这一问题的关键环节,其能够对酶结构和功能进行改造,获得热稳定性好的工业酶。传统的定向进化方法只能依靠随机突变进行人工筛选,具有效率低、针对性差等缺点;理性设计作为酶热稳定性改造的主要方法,可借助各种计算机程序和软件预测潜在突变位点,但其要求对酶的催化机制、热稳定性机制有深入了解。对于大多数天然酶而言,酶的序列和晶体结构是最容易获取的信息,也是预测功能的重要基础。从酶的序列和晶体结构入手,重点介绍了共识突变、基于序列偏好性的突变、截短柔性区域、优化分子内相互作用力、刚化催化活性区域及计算机辅助筛选柔性位点等常用策略,这些策略具有筛选效率高、改造准确性高、实用性强等优点。结合多种酶的热稳定性改造案例进行分析,旨在为不同酶的改造策略选择提供有效参考,同时也为工业酶的耐热性研究提供理论支持。     

产褐藻胶裂解酶芽胞杆菌的筛选、鉴定及其降解效果评价

褐藻胶是广泛存在于褐藻中的一类多糖,降解为褐藻寡糖后能表现出更多的生物活性。从海洋样品中筛选出产褐藻胶裂解酶芽胞细菌16株,基于形态、生理生化特征和16S r DNA系统发育分析初步鉴定菌株HB12274为解淀粉芽胞杆菌植物亚种(Bacillus amyloliquefaciens subsp. plantarum)。TLC结果显示,海藻酸钠经粗酶液降解形成2～7聚合度的褐藻寡糖和单糖,菌株与马尾藻叶片共培养时能明显降解叶状体结构。为褐藻胶裂解酶的生产和工业应用提供了新的菌株来源。     

海藻工具酶——褐藻胶裂解酶研究进展

从海洋生物中筛选提取有价值的酶类,开发海洋多糖降解产物,已成为海洋生物资源开发的一个重要方面。因此,近年来对于海藻工具酶之一的褐藻胶裂解酶及其降解产物——褐藻寡糖的研究日益受到人们的普遍关注。从褐藻胶裂解酶的来源、分类、底物专一性、作用方式及结构与机理研究、酶活力测定和酶学性质等方面,结合本课题组的研究工作综述近十年来有关褐藻胶裂解酶的研究进展。     

产双功能褐藻胶裂解酶菌株的筛选与初步研究

目的：双功能褐藻胶裂解酶既能降解聚β-D-甘露糖醛酸,又能降解聚α-L-古罗糖醛酸,可以用一种酶来制备不同结构的褐藻胶寡糖。本文的目的是筛选能产生双功能褐藻胶裂解酶的菌株,对其产酶曲线和降解产物作初步研究。方法：利用唯一碳源培养基筛选产生褐藻胶裂解酶的菌株,通过16SrDNA序列比对进行菌种鉴定,通过在凝胶上检测褐藻胶裂解酶活性来判断发酵上清液中褐藻胶裂解酶的数量及分子量,利用薄层层析确定降解褐藻胶的终产物组成。结果：从褐藻上筛选到一株海洋细菌QY107,鉴定为弧菌属细菌。发酵120h时褐藻胶裂解酶产量为12．32U／mL,其发酵液上清中只含有一种褐藻胶裂解酶,分子量在28kDa左右,并且对聚β—D-甘露糖醛酸和聚α-L-古罗糖醛酸都能降解,降解褐藻胶的终产物主要为三糖。结论：本文筛选到一株弧菌QY107,其发酵液上清中只有一种双功能褐藻胶裂解酶,可用于大量制备褐藻胶三糖。推测该酶具有特殊的催化腔结构,对其结构与功能相互关系的研究可能会发现新的底物结合与催化机制。酶解制备褐藻胶寡糖因其环保高效而越来越受到人们的重视,因此该菌株能促进海洋寡糖类生物制品的开发,在医药、食品、农业、生物燃料等领域具有广阔的应用前景。     

半理性设计进化土曲霉来源的ω-转氨酶AtTA热稳定性

转氨酶(ω-transaminase,ω-TA)作为一种天然的生物催化剂,在手性胺类化合物的合成中具有较好的应用前景。但ω-TA在催化非天然底物的反应过程中存在稳定性差、活性低的缺陷,大大限制了ω-TA的应用。为改善此缺陷,针对来源于土曲霉(Aspergillus terreus)的(R)-ω-TA(At TA),采用基于分子动力学模拟的计算机辅助设计与随机突变、组合突变相结合的策略进行酶的热稳定性改造,获得了热稳定性与活性同步提高的最佳突变酶At TA-E104D/A246V/R266Q (M3)。与At TA野生酶(wild-type, WT)相比,M3的半衰期t_1/2 (35℃)由17.8 min提升至102.7 min,提升了4.8倍,半失活温度T₅₀¹⁰比WT (38.1℃)提高2.2℃。最佳突变酶M3对丙酮酸和1-(R)-苯乙胺的催化效率分别是野生酶的1.59倍和1.56倍。分子动力学模拟与分子对接结果表明,分子内氢键与疏水相互作用的增加所导致α-螺旋的加固稳定是酶热稳定性提升的主要原因;底物分子与结合口袋氨...     

褐藻胶裂解酶基因的克隆表达及重组酶酶学性质

【目的】克隆交替假单胞菌(Pseudoalteromonas sp.)BYS-2的褐藻胶裂解酶基因,实现其在大肠杆菌细胞中异源表达,对分离纯化的重组酶进行酶学性质研究。【方法】以交替假单胞菌BYS-2菌株基因组DNA为模板,克隆得到褐藻胶裂解酶基因alg738,构建重组基因工程菌BL21(DE3)/p ET22b-alg738,诱导表达,表达产物通过Ni-NTA树脂纯化后进行酶学性质研究。【结果】重组酶的最适反应p H为8.0,在p H 6.0-9.0范围内37°C保温1 h仍能保持84%以上的相对酶活力,具有较好的p H稳定性;最适反应温度为45°C,热稳定性实验显示在37°C下保温60 min其残余酶活力仍达66.6%;在5 mmol/L浓度下,Na~+、Mg~(2+)、Mn~(2+)对该酶具有明显的促进作用,Ni~(2+)、Co~(2+)、Cu~(2+)、Hg~(2+)、Zn~(2+)、EDTA、β-巯基乙醇、SDS具有明显的抑制作用。动力学参数Km、Vmax分别为1.11 g/L和0.011 g/(L·min),底物特异性分析表明该重组酶为偏好聚甘露糖醛酸钠(Poly M)裂解作用的双功能酶。【结论】重组褐藻胶裂解酶具有良好的酶学特性,为褐藻胶裂解酶的开发应用打下基础。     

产褐藻胶裂解酶海洋细菌的筛选和鉴定

褐藻胶是广泛存在于各种褐藻中的一类多糖物质,其降解产物褐藻寡糖具有抗肿瘤、抗凝血、抗氧化和促进植物根部生长等作用,应用前景广阔。本研究以褐藻胶为单一碳源,从腐烂的马尾藻及其生境底泥中共筛选获得褐藻胶降解细菌18株。采用95%酒精处理褐藻胶裂解酶检测平板,水解圈与菌落的直径比值(D/d)≥5的有13株,D/d≥8的有3株。采用DNS法测定细菌的褐藻胶裂解酶活力,菌株DB15913的活力最高,达到15.42 U/mL。依据菌体形态、生理生化特征和16S rDNA序列分析,鉴定菌株DB15913为Cobetia amphilecti。     

褐藻寡糖生物法制备研究进展 *

褐藻寡糖(alginate oligosaccharides,AOS)是褐藻胶的降解产物,具有抗氧化、调节免疫、调节血脂、促进细胞生长等生理活性,应用范围广泛。现有的AOS 制备法主要分为物理法、化学法和生物法。介绍AOS的生物法制备包括酶解、微生物全细胞发酵和生物合成法,基因工程的应用在改造产褐藻胶裂解酶的菌株以提高生物法效率方面具有重要意义。此外,规模化的AOS生物法制备案例进行了科学引证,并展望了未来 AOS规模化制备的发展方向,以期为 AOS 的工业化制备和应用提供参考。     

刺参海带饲料原料褐藻胶降解菌的分离与鉴定

从海带及刺参养殖环境中筛选有效降解褐藻胶,且对刺参无致病性的微生物,对海带饲料原料进行降解处理,以降低海带饲料中刺参难以消化的褐藻胶成分,显著提高饲料利用率,增加海带原料价值。以褐藻胶为唯一碳源选择培养基初筛;DNS法测定褐藻胶裂解酶酶活;16S r DNA测序及生理生化试验对菌种进行鉴定;高浓度腹腔攻毒试验考察筛选所得菌株对刺参的潜在致病性;分子排阻色谱及高效凝胶色谱法对微生物酶解褐藻胶的终产物进行分析。系统发育树分析表明,菌株WB1与Bacillus amyloliquifaciens有最高同源性,对刺参无潜在致病性;其褐藻胶裂解酶酶解褐藻胶的终产物主要为二糖和三糖,相对含量分别为74.1%和25.9%,平均分子量为516 Da。解淀粉芽胞杆菌WB1可作为一种安全的有益微生物用于刺参海带饲料原料中褐藻胶成分的降解。     

石莼多糖裂解酶的研究进展

石莼多糖(Ulvan)由3-硫酸化鼠李糖,葡糖醛酸,艾杜糖醛酸及一些随机分布的木糖组成。石莼多糖及其降解得到的寡糖在医疗、食品等领域具有广泛的应用前景。为促进对石莼多糖裂解酶这一石莼多糖利用工具的开发,对石莼多糖裂解酶的底物组成,来源分类,序列及进化关系,酶学性质及作用模式,蛋白结构以及作用机制进行了综述,以求对后续石莼多糖裂解酶研究者提供帮助。     

番茄P56和部分来源多糖裂解酶家族Ⅰ的其它蛋白的系统演化分析

果胶裂解酶包含果胶酸裂解酶(pectate lyase)和果胶酸酯裂解酶(pectin lyase)二种形式,是一类多糖裂解酶,由细菌、真菌、植物和线虫等生物产生,分布在5个多糖裂解酶家族,果胶酶在食品与饮料、纺织与洗涤、制药等工业中有广泛的应用。利用NCBI BLASTX服务器,搜索与番茄P56蛋白氨基酸序列相似且都属于多糖裂解酶家族Ⅰ的果胶裂解酶蛋白序列共28条,用DNAMAN软件分析其保守区,用CLUSTALX8.0软件进行序列比对和Bi-oEdit软件进行文件转换,进一步用PUAP4.0软件构建系统进化树。构建的MP树(phylogenetic trees)和NJ树(neighbor-joining)显示:来自植物的果胶酸裂解酶、真菌的果胶酸酯裂解酶、细菌的果胶酸裂解酶分别可聚为一个独立的类群;相对于细菌果胶酸裂解酶和真菌果胶酸酯裂解酶而言,构巢曲霉(Aspergillus nidulans)的果胶酸裂解酶A和植物的果胶酸裂解酶之间有较近的亲缘关系;细菌Pseudomonas syringae的果胶酸酯裂解酶和真菌的果胶酸酯裂解酶之间的亲缘关系较近。     

基于结构B因子分析指导的头孢菌素C酰化酶动力学稳定性改造

【目的】筛选Pseudomonas sp.SE83 acy Ⅱ定点饱和突变库,获得动力学稳定性提高的头孢菌素C(CPC)酰化酶突变体,并对突变酶进行初步的结构-功能关系分析。【方法】靶标酶Pseudomonas sp.SE83 acy Ⅱ与Pseudomonas diminuta N176具有较高的同源性,通过分析N176的结构B因子,构建CPC酰化酶SE83定点饱和突变库;基于pH指示剂显色法,采用Biomek FX~P自动工作站建立CPC酰化酶高通量筛选方法,获得优良突变酶,对其活性、稳定性等酶学性质进行表征;利用SWISS-MODEL对突变体进行同源建模,探讨突变体结构与功能的关系。【结果】通过B因子分析和同源结构比对,共找出9个靶标位点;经过3轮筛选,发现R218及K226位点突变显著提高酶的热稳定性,其中最显著的R218Q和K226V在40°C的半衰期分别为野生型的3.77和2.77倍,催化效率k_(cat)/K_m分别为野生型的1.8和3.1倍。同源建模分析表明氢键作用和疏水相互作用的增加可能是突变体稳定性提高的原因。【结论】B因子指导的酶分子改造是一种高效可靠的动力学稳定性改造策略,突变体R218Q和K226V均可提高CPC酰化酶的稳定性和催化效率,对进一步的CPC酰化酶分子改造具有一定的参考价值和指导意义。     

海洋弧菌褐藻胶裂解酶的分离纯化及性质

从海带糜烂物中分离到一株高产胞外褐藻胶裂解酶的海洋弧菌 (Vibriosp .QY10 1) ,利用硫酸铵沉淀、离子交换层析、凝胶过滤层析等方法从发酵液中分离纯化了褐藻胶裂解酶 (alginatelyase)。SDS PAGE电泳结果表明 ,该酶分子量为 39kD。酶反应最适pH为 7.5 ,最适反应温度为 30℃。Na 、Ca2 、Mn2 对酶活性有促进作用 ,Fe2 、Ni2 以及EDTA对酶活性有抑制作用。酶的底物专一性初步分析结果表明 ,该酶具有降解多聚古罗糖醛酸[poly(G) ]及多聚甘露糖醛酸 [poly(M) ]的活性。     

酶的分子设计、改造与工程应用

酶工程的研究已经发展到分子水平 ,在体外通过基因工程、化学、物理等手段改造酶分子结构与功能 ,大幅提高了酶分子的进化效率和催化效率 ,生产有价值的非天然酶。对酶工程学若干“热点”和前沿课题的研究、应用进行了概述 ,分析了国际上酶工程研究及应用技术、手段、方法 ,包括体外分子进化、核酶和抗体酶的设计、酶分子的定向固定化技术、酶蛋白分子的化学修饰、融合酶、人工合成及模拟酶等技术 ,并展望了酶工程的技术进步和应用的新进展。     

微生物发酵-膜分离法制备褐藻胶寡糖及其产物分析

比较褐藻胶裂解酶产生菌Alteromonassp .在摇瓶和发酵罐培养过程中生物量、褐藻胶寡糖含量以及褐藻胶裂解酶活性的变化 ,根据其变化确立了通过微生物发酵 膜分离技术结合制备褐藻胶寡糖的条件 ,并对寡糖进行凝胶过滤色谱和薄层色谱分析。用组成为每升含酵母粉 5g、蛋白胨 10g、FeSO4 0 1g、褐藻酸钠 12g、NaCl 1 5g ,pH为7 5的培养基 ,在 2 8℃培养褐藻胶裂解酶产生菌 ,结果表明 ,发酵罐培养 30h ,发酵液寡糖含量达到最大。发酵液通过超滤 纳滤两级膜分离 ,得到褐藻胶寡糖 ,寡糖的回收率和脱盐率分别为 94 0 %和 93 3%。通过凝胶柱分离和TLC分析 ,得到 5个褐藻胶寡糖组分。     

褐藻胶裂解酶在枯草芽胞杆菌中的重组表达及催化特性研究

为拓展褐藻胶裂解酶在高效、安全的枯草芽胞杆菌体系中的表达,成功构建一株海洋来源的贝特氏菌(Cobetia sp.)WG-007褐藻胶裂解酶枯草芽胞杆菌工程菌Bacillus subtilis WB600/pMA5-aly-cob,对主要发酵条件进行优化,并对重组酶Aly-Cob的酶学性质进行表征.结果 表明,优化后的工...     

饲用植酸酶蛋白质工程研究进展*

植酸酶作为一种单胃动物的饲料添加剂,它的推广和应用受到酶性质的局限。本在植酸酶改性策略,以及提高饲用植酸酶的表达量,改善热稳定性,提高催化效率,改良最适pH等方面介绍了植酸酶蛋白质工程方面的研究进展。     

一株具有褐藻胶降解能力的海洋细菌的筛选鉴定及其多糖利用能力研究

旨在得到一株具有褐藻胶降解能力的菌株。利用海藻酸钠作为唯一碳源,从腐烂马尾藻中筛选纯化得到一株降解褐藻胶能力较强的海洋细菌,编号X511。根据形态观察和理化指标,结合分子生物学技术鉴定该菌株为弧菌,命名Vibrio sp.X511。X511菌株的指数生长期5-16 h,适宜生长的盐浓度为2%-6%(W/V)。能在以葡萄糖、甘露醇、淀粉等为唯一碳源的培养基中生长。4%-6%(W/V)的盐浓度、海带粉、昆布多糖能延长该菌株的生长稳定期。该菌株在筛选培养基中发酵培养24 h胞内褐藻胶裂解酶粗酶活力达到12.68±0.13 U/m L;提取X511的褐藻胶裂解酶粗酶,分别对海藻酸钠、聚甘露糖醛酸和聚古罗糖醛酸三种多糖的酶解能力依次为:海藻酸钠聚甘露糖醛酸聚古罗糖醛酸。薄层层析(TLC)结果显示,该菌株胞内酶降解海藻酸钠的产物为三糖。结果表明,X511是一株盐耐受性较强、生长周期较短且能同时以海藻酸钠、聚甘露糖醛酸和聚古罗糖醛酸为碳源生长的海洋细菌。