微生物脂肪酶稳定性研究进展

脂肪酶广泛应用于食品、药物、生物燃料、诊断、生物修复、化学品、化妆品、清洁剂、饲料、皮革和生物传感器等工业领域,微生物脂肪酶是商品化脂肪酶的重要来源。高温、酸性、碱性和有机溶剂等恶劣的工业生产环境使得脂肪酶的进一步工业应用受到限制,获取稳定性好的脂肪酶成为打破这一限制的关键环节。本文重点对提高微生物脂肪酶稳定性的策略进行了综述:挖掘极端微生物脂肪酶资源;利用定向进化、理性设计和半理性设计等蛋白质工程策略改造脂肪酶;利用物理吸附、封装、共价结合和交联等酶的固定化技术提高脂肪酶的稳定性;利用物理/化学修饰、表面展示以及多种改良策略相结合提高脂肪酶的稳定性。结合作者前期对酶工程的研究发现,新型酶催化剂的获得应该基于明确的设计思路,结合多种改造方法,基于定向进化-理性设计、定向进化-半理性设计、蛋白质工程-酶的固定化、蛋白质工程-物理/化学修饰、酶的固定化-物理/化学修饰等组合改造,比单一的改造方法具有更高的效率。     

脂肪酶产生菌Aspergillus niger NJY-1的选育及鉴定

目的：筛选耐高温脂肪酶产生菌株并对其进行18SrDNA鉴定及系统进化树亲缘分析。方法：通过聚乙烯醇橄榄油乳化液方法对所选菌株的粗酶酶学性质进行研究并通过BLAST和MAGE4软件鉴定和聚类分析。结果：从云南省福贡县的榨油作坊土壤中筛选到一株耐高温产酸性脂肪酶的菌株NJY-1,对其粗酶酶学性质进行研究结果表明：该菌株酶促反应的最适作用pH为6.0,pH稳定性为3.0-8.0,最适作用温度为50℃,温度稳定性为35-60℃。该菌株通过18SrDNA鉴定及系统进化树分析,NJY-1与Aspergillus niger具有最紧密的亲缘关系,达到99%。结论：筛选到了1株耐高温脂肪酶产生菌株NJY-1,确定了其粗酶酶学性质和其亲缘关系。     

Proteus sp.脂肪酶基因在大肠杆菌中表达及性质研究

目的:筛选获得高活力的微生物脂肪酶,实现其异源高效表达。方法:通过富集培养、平板筛选、单菌落发酵验证以获得产脂肪酶菌株,克隆脂肪酶基因,构建重组质粒在大肠杆菌中表达,纯化后进行酶学性质研究。结果:获得一株高产脂肪酶的菌株,经16S rDNA鉴定属于Proteus sp。根据已报道的来源于Proteus vulgaris的脂肪酶基因设计引物,克隆其全长基因,大小为864 bp,编码287个氨基酸。构建重组表达质粒pET32a-lipK19,在大肠杆菌中表达酶活达1 500 U/mL。该脂肪酶的最适温度为40℃,最适pH为9,在pH 8~10之间稳定性较好,Ca2+对酶有激活作用,表面活性剂等对酶抑制作用明显,对有机溶剂有一定的耐受性。结论:克隆表达了一Proteus sp脂肪酶,并对其性质进行了研究,为其应用奠定基础。     

理性设计和基因剂量效应提高米根霉脂肪酶ROL的表达水平

[目的]实现米根霉(Rhizopus oryzae)脂肪酶ROL在毕赤酵母(Pichia pastoris)中的高效表达,为其产业化奠定基础。[方法]通过基因的理性设计提高其在毕赤酵母中的表达水平,再通过构建含串联的ROL基因的表达载体,获得含多拷贝ROL基因的重组菌株,拟通过提高ROL基因在宿主细胞中的基因剂量来进一步提高其表达量。[结果]基因的理性设计和基因剂量有效地提高了ROL基因在毕赤酵母中的表达量。原始ROL基因重组表达菌株活性最高的为260 U/mL。进行密码子优化后,发酵罐条件下,其活性最高的为26 500 U/mL,前后相比较,酶活力提高10倍。[结论]成功获得了脂肪酶ROL高效表达的菌株,完成了在小型发酵罐中的产酶能力评估,为该酶的工业化生产奠定了基础。     

脂肪酶产生菌的筛选、鉴定及其产酶条件优化

目的:寻找合适的产酶菌。方法:从富油土壤中分离到一株脂肪酶产生菌,并通过16S rRNA部分序列分析和系统发育分析将其鉴定为假单胞菌属,定名为:Pseudomonas sp.26-2。本研究进一步通过正交试验设计对该菌株的产脂肪酶条件进行了优化。结果:在摇瓶培养条件下,其最适产酶条件为:淀粉1.5%,酵母提取物3%,硫酸镁0.05%,K2HPO40.2%,橄榄油0.2%;反应起始pH值为7.0,发酵温度为30℃。在此条件下,发酵脂肪酶活力可达15.5U/ml。结论:所获得的假单胞菌26-2具有一定的脂肪酶生产能力,并为该菌株的菌种改良以及脂肪酶的高效基因工程菌的构建奠定了基础。     

基于基因的重新设计与高通量筛选策略选育解脂耶氏酵母脂肪酶高产菌株

脂肪酶（EC 3.1.1.3）是应用广泛的工业用酶。高效的脂肪酶产生菌是脂肪酶工业生产和应用的前提。通过基因的重新设计与合成技术优化了解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）脂肪酶YLL的密码子,并实现了其在毕赤酵母（Pichia pastoris）中的高效表达;通过高通量筛选策略获得了更高效的脂肪酶基因工程菌菌株SILVER。在14 L发酵罐条件下,菌株SILVER酶活达40 500 U/ml、蛋白质含量达2.52 g/L发酵液,为该类脂肪酶的产业化奠定了基础。     

南极假丝酵母脂肪酶B的修饰与改造

南极假丝酵母脂肪酶B是用途最为广泛的脂肪酶之一,可用于许多有机化合物、医药中间体等的合成.为了改善南极假丝酵母脂肪酶B的催化性能,提高其环境适应性,同时提高蛋白的表达量,降低生产成本,从而使其更适于工业化应用,许多针对酶蛋白分子的修饰及改造方法已在南极假丝酵母脂肪酶B中得到大量应用.本文从化学修饰、理性设计和非理性设计3个方面详细综述了南极假丝酵母脂肪酶B的修饰与改造的关键技术,包括定点突变、蛋白质融合、易错PCR和DNA改组等,同时也介绍了以上技术在改良南极假丝酵母脂肪酶B特性方面的诸多成功实例.     

一株耐热脂肪酶产生菌的鉴定及其脂肪酶基因的克隆

目的:从北方堆肥土样中分离、筛选获得产耐热脂肪酶的嗜热菌株 FS32b,确定该菌株的分类学地位及其所产耐热脂肪酶基因.方法:通过研究该菌株 16S rDNA 基因序列的系统进化树,进行菌种分类鉴定并利用PCR技术获得其脂肪酶基因.结果:FS32b 与报道过的 Bacillus subtilis X60646 有紧密的亲缘关系,二者的 16S rDNA 序列相似性为 99%,其脂肪酶基因经序列测定分析表明,该菌株含长度为 639bp 的耐热脂肪酶基因的完整开放阅读框架(ORF).此片断编码有 213 个氨基酸的酶.结论:FS32b初步鉴定为Bacllus subtilis,其脂肪酶基因的克隆为以后高效基因工程菌的构建奠定了基础.     

洋葱伯克霍尔德菌脂肪酶的基因改造及其在毕赤酵母中组成型和诱导型的表达

【目的】克隆洋葱伯克霍尔德菌(Burkholderia cepacia)脂肪酶基因,实现其在毕赤酵母中快速、安全和稳定性的大量表达。【方法】首先设计引物扩增B.cepacia脂肪酶基因,然后应用生物信息学方法分析B.cepacia和毕赤酵母整体密码子使用情况、脂肪酶基因信号肽及密码子偏好性。在此基础上,运用overlap PCR对脂肪酶基因中低使用频率密码子进行改造并同时降低基因的G+C含量,获得优化的脂肪酶基因。再分别把原始和优化的脂肪酶基因导入载体pGAPZα和pPIC9K中,获得组成型表达载体pGAPlipW、pGAPlipO和诱导型表达载体pPIClipW、pPIClipO。分别将所得4种载体转入GS115中,得到一系列工程菌。经发酵和NTA树脂纯化后,对脂肪酶的酶学性质进行了初步研究。【结果】4种工程菌的脂肪酶活力分别为pPIClipW37.8U/mL,pPIClipO129.5U/mL,pGAPlipW40.2U/mL和pGAPlipO184.3U/mL。改造后脂肪酶活力比原始脂肪酶提高了4.6倍。酶学性质研究表明,脂肪酶在60℃时活力最高,在40℃-65℃范围内非常稳定;脂肪酶最适pH值为9.0,在pH6.0-pH10.0范围均表现很好的稳定性。【结论】通过overlap PCR改造后的脂肪酶显著提高了其在毕赤酵母中的表达效率,且GAP启动子比AOX1启动子更适合于B.cepacia脂肪酶的表达。大量表达的重组脂肪酶的性质与野生脂肪酶的性质相同,符合生产要求。     

合成己酸乙酯脂肪酶产生菌的筛选及发酵条件的研究

以有机相中合成酶活为指标,通过对薰衣草根际土壤产脂肪酶菌株的筛选,获得了一株在有机相中合成己酸乙酯转化率相对较高的细菌Arthrobacter Y-605,其己酸乙酯转化率为67.53%.考察了影响该菌株产脂肪酶的各项因素,确定其最佳培养基组分:2%玉米粉,1%黄豆粉,0.1%尿素,0.05%MgSO4,0.1%K2HPO4,0.15%KCl;最适培养条件:初始pH8.0,温度为和35℃,装液量60 ml,转速为160 r/min;同时,表面活性剂Tween80的添加对脂肪酶的产生具有促进作用.通过对Arthrobacter Y-605培养条件的优化,脂肪酶活力由3.8 U/ml提高到13.33 U/ml,为该菌株的菌种改良及其在有机相合成领域的应用奠定了基础.     

Production of Acinetobacter radioresistens lipase with repeated batch culture in presence of nonwoven fabric.

Cultivation of Acinetobacter radioresistens on n-hexadecane for lipase production was investigated with repeated batch culture in the presence of a hydrophobic nonwoven fabric. Lipase production followed the growth-associated model, and the repeated batch culture could achieve both high enzyme yield and increased volumetric productivity. The fabric was shown to be able to disperse n-hexadecane, to adsorb the unused hydrocarbon, and to retain bioemulsifiers excreted from the cells; therefore, it enhanced cell growth and, in turn, lipase production. In the repeated batch culture in the absence of the fabric, lipase yield and volumetric productivity were found to be 21 U/mL and 875 U/L. h, respectively. However, if the fabric was equipped in the fermentor, lipase yield and volumetric productivity increased to 30 U/mL and 2500 U/L. h, respectively. The lipase production profile could be further improved by raising the amount of nitrogen source and, as a result, a lipase yield of 54 U/mL and a volumetric productivity of 2250 U/L. h were obtained. In this study we assess the beneficial effects of nonwoven fabric on lipase production.     

Production of lipase in a fermentor using a mutant strain of Corynebacterium species: its partial purification and immobilization

Extracellular Corynebacterium lipase was produced using a 2.5 L Chemap fermentor using 1300 ml fermentation medium at temperature 33 degrees C, agitator speed 50 rpm, aeration rate 1 VVM having KLa 16.21 hr(-1). Crude lipase was purified by salting out method followed by dialysis and immobilized using calcium alginate gel matrix followed by glutaraldehyde cross linking Purification process increased specific activity of enzyme from 2.76 to 114.7 IU/mg. Activity of immobilized enzyme was 107.31 IU/mg. Optimum temperature for purified and immobilized enzyme activity were 65 degrees and 50 degrees C respectively. Optimum pH was 8.0 in both the cases, Km and Vmax value for purified lipase were 111.1 micromol/min and 14.7% respectively. Ca2+ (5 mM) was found to be stimulator for enzyme activity. Immobilized lipase retained 68.18% of the original activity when stored for 40 days.     

洋葱假单胞菌(Pseudomonas cepacia)PCL-3产脂肪酶发酵条件研究

研究了洋葱假单胞菌(Pseudomonas cepacia) PCL-3发酵产碱性脂肪酶培养条件的优化。采用单因子试验筛选出糊精为最适碳源,蛋白胨和尿素为复合氮源。通过Plackett-Burman设计试验,对影响产酶条件的8个相关因子进行评估并筛选出具有显著效应的三个因子：尿素、接种量以及初始pH值。用最陡爬坡实验逼近显著因子的最大响应区域后,采用响应面分析法,确定尿素、接种量以及初始pH值最优值分别为0.15％,3.05%和8.59。优化后液体发酵培养基中脂肪酶活力提高到48.88 U/mL,比初始酶活25.37U/ml提高了1.93倍。10 L 的发酵罐中,脂肪酶活力在52h达到最大,为47.69U/mL。     

酶法合成生物柴油工业化研究进展

介绍了北京化工大学近年来酶法合成生物柴油工业化研究的结果。主要内容包括以下几个方面:高产脂肪酶菌株的选育、脂肪酶发酵工艺优化及放大、脂肪酶固定化方法、酶反应器放大、生物柴油分离精制及副产物甘油综合利用。该脂肪酶假丝酵母Candida sp.99-125在5 m3罐发酵活力不低于8 000 IU/mL,然后将该脂肪酶吸附固定在织物膜上并进行表面改性,用于搅拌罐式反应器生产每吨甲酯的需酶量仅为4.2 kg,产品经分离精制调质后,其各项指标完全符合德国生物柴油生产标准。副产物甘油可用于1,3-丙二醇发酵,30 L发酵罐中1,3-丙二醇的产量可达到76.1 g/L。     

Production of a polyester degrading extracellular hydrolase from Thermomonospora fusca

The production of a polyester-degrading hydrolase from the thermophilic actinomycete Thermomonospora fusca was investigated with regard to its potential technical application. Only in the presence of a polyester (random aliphatic-aromatic copolyester from 1,4-butanediol, terephthalic acid, and adipic acid with around 40-50 mol % terephthalic acid in the acid component), the excretion of the extracellular enzyme could be achieved with an optimized synthetic medium using pectin and NH(4)Cl as nitrogen source. Compared to complex media, a significantly higher specific activity at comparable volumetric yields could be obtained, thus reducing the expenditure for purification. The activity profile in the medium is controlled by a complex process involving (1) induction of enzyme excretion, (2) enzyme adsorption on the hydrophobic polyester surface, (3) inhibition of enzyme generation by monomers produced by polyester cleavage, and (4) enzyme denaturation. Diafiltration with cellulose acetate membranes as the sole downstream processing step led to a product of high purity and with sufficient yield (60% of total activity). Scaling-up from shaking flasks to a fermentor scale of 100 L revealed no specific problems. However, the excretion of the hydrolase by the actinomycete turned out to be inhibited by the degradation products (monomers) of the aliphatic-aromatic copolyester used as inductor for the enzyme production. The crude enzyme exhibited generally similar properties (temperature and pH optimum) as the highly purified hydrolase described previously; however, the storage capability and thermal stability is improved when the crude enzyme solution is diafiltrated.     

多拷贝毕赤酵母重组菌表达GCL摇瓶优化和高密度发酵

目的:构建高效表达白地霉脂肪酶的毕赤酵母重组菌株,并对筛选得到的菌株进行摇瓶发酵条件优化和分批补料高密度发酵工艺研究。方法:将诱导型表达载体pPIC9K-gcl电转化至毕赤酵母GS115。通过橄榄油-罗丹明B平板和摇瓶发酵筛选高脂肪酶活力的重组菌株,运用基于TaqMan探针的实时荧光定量PCR 法确定其拷贝数,并对菌株进行摇瓶发酵条件优化。在此基础上,研究重组菌在3L 发酵罐中的高密度发酵工艺。结果:筛选得到一株具有3 个白地霉脂肪酶基因拷贝的菌株GS115/pPIC9K-gcl 78#,初始酶活力为220 U/ml。当摇瓶发酵条件为甲醇诱导96 h,每24 h甲醇添加量1 %,接种量2 %,培养基初始pH 7.0,500 ml摇瓶装液量50 ml,甲醇诱导温度25℃ 时酶活力达735 U/ml。3L 发酵罐高密度发酵176.5 h,酶活力达到3360 U/ml,总蛋白含量达到4.30 g/L,且发酵过程中细胞活性一直保持在96 % 以上。结论:基因拷贝数与重组菌株的产酶水平呈正相关,摇瓶优化可显著提高重组菌株的产酶能力,为白地霉脂肪酶的工业化生产奠定了技术基础。     

假丝酵母99-125脂肪酶的发酵工艺研究

对假丝酵母99-125脂肪酶的发酵工艺条件进行了一系列研究。选择了合适的培养基成分并进行优化 ,获得了最优的摇瓶培养基配方 (% ,W/V) :豆油 4.0 ,全脂豆粉 4.0 ,K₂HPO₄0.1,KH₂PO₄ 0.1。产酶水平能达到 5000IU/mL。在 30L发酵罐上进行初步放大实验 ,其产酶水平能达到 8100IU/mL。在1m³发酵罐上进行中试放大 ,产酶水平可达到 8000IU/mL。     

诱导温度调控华根霉(Rhizopus chinensis)前导肽脂肪酶的表达及稳定性研究

比较了7 L发酵罐中不同诱导温度对华根霉前导肽脂肪酶在巴斯德毕赤酵母(Pichia pastoris)中表达水平和稳定性的影响。通过实验表明在28℃条件下,最大酶活可以达到1412.5 U/mL,是30℃条件下的2.3倍,25℃条件下的1.3倍;而其产率可以达到12811 U/L·h~(-1),比产率达到82.6 U/g_(DCW)·h~(-1)。同时,在实验过程中发现诱导温度对目的蛋白的降解和聚合有重要的影响。通过对蛋白酶活性的测定和还原SDS-PAGE证实随着诱导温度的提高,蛋白酶活性急剧上升,从而导致由前导肽(37 kD)降解为成熟肽(30 kD)的降解作用的加剧。此现象在30℃条件下最为明显,在诱导84 h时前导肽已经全部降解为成熟肽。另外,通过非还原SDS-PAGE和分析表明随着诱导温度的提高也导致了二聚体的含量也逐渐增加。     

硅藻土固定中性脂肪酶的制备及其性质

以硅藻土为载体,采用吸附法,对脂肪酶进行固定化,研究了固定化条件对固定化脂肪酶的催化活性的影响,得到最佳的固定化条件：给酶量为33374U/g,固定化温度为35℃,pH值为7.5,时间为4h,此时固定化酶的活力约为5833U/g载体。固定化酶的热稳定性较游离酶有了很大的提高,其在80℃以下能保持80%以上的酶活,而游离酶60℃残余酶活仅为5%。最适反应温度和最适pH值也分别由游离酶的40℃上升至50℃和由7上升到7.5。对固定化中的中性脂肪酶在生物柴油合成中的应用也进行了初步研究。