CN101522045A - 用于动物饲料的木聚糖酶 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及与具有SEQ ID NO:4的氨基酸1-184的类芽孢杆菌属木聚糖酶有至少82.7%的同一性百分比的木聚糖酶在动物饲料中的用途,还涉及包含这样的木聚糖酶的饲料添加剂和饲料组合物。这些木聚糖酶对不溶性纤维多糖(非淀粉多糖,缩写为NSP)如阿拉伯木聚糖的溶解和降解显著好于已知的动物饲料木聚糖酶。

Description

用于动物饲料的木聚糖酶
对序列表的援引
本申请包含计算机可读形式的序列表。将该计算机可读形式通过援引并入本申请。
发明背景
发明领域
本发明涉及动物饲料领域。
谷物颗粒(cereal grains)是动物饲料的重要组分。它们含有能够在饮食中起主要营养成分作用的植物多糖(例如淀粉)等,还含有若干种非淀粉多糖(NSP),包括阿拉伯木聚糖等。主要的农场动物如家禽和猪的消化道中缺少用于消化NSP的相关酶。在动物饲料中使用木聚糖酶来改善饲料的利用是本领域已知的。
本发明涉及与源自类芽孢杆菌属(Paenibacillus)的木聚糖酶(SEQ ID NO:4的氨基酸1-184)具有至少82.7%的同一性百分比的木聚糖酶在动物饲料中的用途。
相关技术描述
WO 2006/083240在实施例6中公开了一种称为XylA1A的木聚糖酶在鸡饲料中的用途。XylA1A的氨基酸序列对应于WO 2006/083240中的SEQID NO:2,其与UNIPROT:Q6TLP3(作为SEQ ID NO:9包含在本申请序列表中)的成熟部分相同。根据所述UNIPROT数据库条目,该序列源自一种从环境样品分离的细菌。SEQ ID NO:9的木聚糖酶与SEQ ID NO:4的氨基酸1-184的百分比同一性低于82.7%。
RONOZYME WX木聚糖酶是一种已知的单组分(mono-component)动物饲料木聚糖酶,其源自细毛嗜热霉(Thermomyces lanuginosus),商业上可从DSM Nutritional Products,Wurmisweg 576,CH-4303 Kaiseraugst,Switzerland得到。这种木聚糖酶和它在动物饲料中的用途在WO 96/23062中也有记载。这种木聚糖酶不具有低于24kDa的分子量。
WO 2005/079585中记载了一种来自饲料类芽孢杆菌(Paenidacilluspabuli)的木聚糖酶,其具有本申请中SEQ ID NO:2的氨基酸1-182的氨基酸序列;还记载了其在制备基于面团的产品的方法中的用途。
一种来自类芽孢杆菌属菌种KCTC 8848P的木聚糖酶的氨基酸序列已经提交到了公共Uniprot数据库,登录号为UNIPROT:Q9F9B9;本申请序列表中收入该序列作为SEQ ID NO:4。
WO 97/13853公开了(SEQ ID NO:6)一种来自黑曲霉(Aspergillus niger)的木聚糖酶,其与本申请中SEQ ID NO:6的氨基酸1-188的序列除了1个氨基酸之外是相同的(来自黑曲霉的“xylII”)。
WO 2004/018662公开了(作为WO 2004/018662中的SEQ ID NO:9)另一种来自黑曲霉的木聚糖酶,其与本申请中的SEQ ID NO:8是相同的(来自黑曲霉的“xylIII”)。
Chesson等在J.Sci.Food Agric.1997,75,289-295中报道了关于小麦秸秆和小麦颗粒级分的细胞壁孔隙率(cell wall porosity)及可用表面积(available surface area)的研究。
本发明的一个目的是改善不溶性非淀粉多糖(NSP)如阿拉伯木聚糖的溶解和/或降解,同时着眼于改善动物饲料的营养价值,例如通过改善饲料转化率(FCR)、生长速率和/或体重增加。
发明概述
本发明涉及木聚糖酶在动物饲料中的用途,所述木聚糖酶与SEQ ID NO:4的氨基酸1-184具有至少82.7%的同一性百分比,该同一性百分比是如下确定的:1)用Needle程序比对两个氨基酸序列,使用BLOSUM62取代矩阵,缺口形成罚分为10,且缺口延伸罚分为0.5;2)对比对中精确匹配的数目进行计数;iii)用精确匹配的数目除以所述两个氨基酸序列中最短者的长度,和iv)将iii)的除法的结果换算成百分比。
本发明还涉及这样的木聚糖酶在制备用于动物饲料的组合物中的用途。
本发明进一步涉及一种组合物,其包含这样的木聚糖酶,和(a)至少一种脂溶性维生素;(b)至少一种水溶性维生素;和/或(c)至少一种痕量矿物质。
更进一步,本发明涉及一种动物饲料组合物,其具有50-800g/kg的粗蛋白含量,且包含这样的木聚糖酶;还涉及一种改善动物饲料的营养价值的方法,其中将这样的木聚糖酶添加于饲料。
最后,本发明涉及这样的木聚糖酶用于在胃和肠消化期间溶解和/或降解非淀粉多糖的用途,以及用于预处理动物饲料或动物饲料组分的用途。
发明详述
在下文中,表述“本发明的木聚糖酶”是指供根据本发明使用的木聚糖酶,如本申请所描述的。
酶的EC分类-Bernard Henrissat糖苷水解酶家族
酶可基于来自NC-IUBMB的酶命名法(Enzyme Nomenclature)手册,1992进行分类,也参见在因特网上的ENZYME站点:http://www.expasy.ch/enzyme/。ENZYME是与酶命名有关的信息储存库。其主要是以国际生物化学和分子生物学联合会(IUB-MB)命名委员会的建议为基础,描述了已提供其EC(酶学委员会)号的每种已表征的酶(Bairoch A.TheENZYME database,2000,Nucleic Acids Res 28:304-305)。该IUB-MB酶命名法是以它们的底物特异性以及偶尔以它们的分子机制为基础的;这样的分类并不反映这些酶的结构特征。
几年前,已提出另一种基于氨基酸序列相似性将某些糖苷水解酶,例如内切葡聚糖酶、木聚糖酶、半乳聚糖酶、甘露聚糖酶、右旋糖酐酶和α-半乳糖苷酶分类为多个家族的分类法。它们目前分成90个不同的家族:参见CAZy(ModO)因特网站点(Coutinho,P.M.& Henrissat,B.(1999)Carbohydrate-Active Enzymes(碳水化合物-活性酶)服务器,在URL:http://afmb.cnrs-mrs.fr/~cazy/CAZY/index.html(相应的论文:Coutinho,P.M.&Henrissat,B.(1999)Carbohydrate-active enzymes:an integrated databaseapproach.在“Recent Advances in Carbohydrate Bioengineering”中,H.J.Gilbert,G.Davies,B.Henrissat和B.Svensson编,The Royal Society ofChemistry,Cambridge,pp.3-12;Coutinho,P.M.& Henrissat,B.(1999)Themodular structure of cellulases and other carbohydrate-active enzymes:anintegrated database approach.在“Genetics,Biochemistry and Ecology ofCellulose Degradation”中.,K.Ohmiya,K.Hayashi,K.Sakka,Y.Kobayashi,S.Karita和T.Kimura编,Uni Publishers Co.,Tokyo,pp.15-23)。
木聚糖酶
为本申请的目的,木聚糖酶的意思是具有木聚糖酶活性的蛋白质或多肽。
木聚糖酶活性可以使用任何如下所述的测定法来加以测量:这样的测定法中使用在木聚糖中包含1,4-β-D-木糖苷内-键(1,4-beta-D-xylosidicendo-linkage)的底物。测定pH和测定温度要根据所述的木聚糖酶来调适。测定pH值的实例为pH 4、5、6、7、8、9、10或11。测定温度的实例为30、35、37、40、45、50、55、60、65、70或80℃。
不同类型底物可用于测定木聚糖酶活性,例如Xylazyme交联阿拉伯木聚糖片(来自MegaZyme)或带偶氮染料的(azo-dyed)阿拉伯木聚糖的不溶性粉末分散体及溶液。
对于测定饲料、预混物(premix)及类似样品中的木聚糖酶,在50℃乃至70℃的温度(其中较高的温度用于热稳定性更高的酶),在通常由磷酸盐缓冲液(0.1M,pH调节到所述酶的最适pH)组成的提取介质中提取酶,历时30-60分钟。实施例4中公开了一种优选的木聚糖酶测定法。
所有的测量均根据分光光度测定原理在大约590-600nm进行。将酶或提取的酶(取其适用者(as applicable))与已知量的底物一起温育,并相对于标准曲线测量颜色释放(colorrelease),所述标准曲线是通过将已知量的酶标准品加入不含酶的类似对照饮食(control diet)而获得的。如果没有可用的对照饲料,则将已知量的酶加入样品中(掺加(spiking)),并由掺加和未掺加样品之间响应上的差异可以计算出酶的添加量。
在一个具体的实施方案中,木聚糖酶是归类为EC 3.2.1.8(见上文所述的ENZYME站点)的酶。正式名称是内切-1,4-β-木聚糖酶。系统命名为1,4-β-D-木聚糖木聚糖水解酶。可使用其它的名称,如内切-(1-4)-β-木聚糖酶;(1-4)-β-木聚糖4-木聚糖水解酶;内切-1,4-木聚糖酶;木聚糖酶;β-1,4-木聚糖酶;内切-1,4-木聚糖酶;内切-β-1,4-木聚糖酶;内切-1,4-β-D-木聚糖酶;1,4-β-木聚糖木聚糖水解酶;β-木聚糖酶;β-1,4-木聚糖木聚糖水解酶;内切-1,4-β-木聚糖酶;β-D-木聚糖酶。所催化的反应是木聚糖中1,4-β-D-木糖苷键的内水解。
根据上文所称的CAZy(ModO)站点,木聚糖酶目前被归类于下列糖苷水解酶家族之一:5、8、10、11、16、43或62。例如,GH家族11糖苷水解酶可如下表征:
CAZy家族          糖苷水解酶家族11
已知活性:        木聚糖酶(EC 3.2.1.8)
机制:            保留性(Retaining)
催化性亲核体/碱: Glu(实验)
催化性质子供体:  Glu(实验)
3D结构状态:      可用(参见PDB).
折叠:            β-果冻卷型(beta-jelly roll)
族群(clan):      GH-C
在具体的实施方案中,本发明的木聚糖酶是i)糖苷水解酶(GH)家族5、8、10、11、16、43或62的木聚糖酶,优选GH家族10或11,更优选GH家族11的木聚糖酶。表述“糖苷水解酶家族NN的...”意思是所述木聚糖酶归类于,或者可以归类于GH家族“NN”(例如10或11)。
在另一个具体的实施方案中,本发明的木聚糖酶源自细菌木聚糖酶,优选来自(i)厚壁菌门(Firmicutes);(ii)芽孢杆菌纲(Bacilli);(iii)芽孢杆菌目(Bacillales);(iv)类芽孢杆菌科(Paenibacillaceae);或(v)类芽孢杆菌属(Paenibacillus)的细菌,更优选来自(vi)饲料类芽孢杆菌、多粘类芽孢杆菌(Paenibacillus polymyxa),或类芽孢杆菌属菌种的细菌;最优选来自(vii)饲料类芽孢杆菌或多粘类芽孢杆菌的菌株。
如上文所用的表述“源自细菌(或厚壁菌,...或饲料类芽孢杆菌)木聚糖酶的木聚糖酶”包括从所述细菌分离的任何野生型木聚糖酶,以及其保留木聚糖酶活性的变体或片段。
术语“变体”是指包含与指定的木聚糖酶相比包含一个或多个氨基酸取代、缺失和/或插入的木聚糖酶。所述变体可以是天然变体(等位变体),或者是合成制备的。优选地,氨基酸改变具有微小的性质,例如,不会显著影响蛋白质折叠和/或活性的保守氨基酸取代;小的缺失;小的氨基末端或羧基末端延伸,如氨基末端甲硫氨酸残基;小的接头肽;或者通过改变净电荷或另一功能来帮助纯化的小延伸,如多聚组氨酸段、抗原表位或结合域。
指定木聚糖酶的“片段”从所述木聚糖酶的氨基酸序列的氨基和/或羧基末端缺失了一个或几个氨基酸。
为上文变体和片段的定义的目的,术语“小的”和术语“一个或多个”是指与所指定的木聚糖酶相比最大30个改变。在这些定义中任一者的优选的实施方案中,改变的数目低于30、25、20、15、10,或低于5。
保守取代的实例是在以下组之内:碱性氨基酸组(精氨酸、赖氨酸和组氨酸)、酸性氨基酸组(谷氨酸和天冬氨酸)、极性氨基酸组(谷氨酰胺和天冬酰胺)、疏水性氨基酸组(亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸)、芳族氨基酸组(苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸)和小氨基酸组(甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸)。最普遍发生的交换是Ala/Ser、Val/Ile、Asp/Glu、Thr/Ser、Ala/Gly、Ala/Thr、Ser/Asn、Ala/Val、Ser/Gly、Tyr/Phe、Ala/Pro、Lys/Arg、Asp/Asn、Leu/Ile、Leu/Val、Ala/Glu和Asp/Gly,以及它们的反向交换(in reverse)。
除了20个标准氨基酸,非标准氨基酸(例如4-羟脯氨酸、6-N-甲基赖氨酸、2-氨基异丁酸、异缬氨酸和α-甲基丝氨酸)可以取代野生型多肽的氨基酸残基。可以用有限数量的非保守氨基酸、不由遗传密码编码的氨基酸和非天然氨基酸来取代氨基酸残基。“非天然氨基酸”在蛋白质合成后已经过修饰,和/或在它们的侧链具有不同于标准氨基酸的化学结构。非天然氨基酸能够以化学方法合成,并且优选是商业上可获得的,包括六氢吡啶羧酸(pipecolic acid)、噻唑烷羧酸(thiazolidine carboxylic acid)、脱氢脯氨酸、3-和4-甲基脯氨酸,和3,3-二甲基脯氨酸。
可供选择的是,氨基酸改变具有这样的性质以使多肽的物理化学性质改变。例如,氨基酸改变可改进多肽的热稳定性,改变底物特异性,改变最适pH等。
可以根据本领域已知的方法,例如定位诱变或丙氨酸分区诱变法(Cunningham和Wells,1989,Science 244:1081-1085)来鉴定必需氨基酸。在后一技术中,将单一丙氨酸突变引入到分子中的每个残基,并且测试所得突变分子的生物活性(即,木聚糖酶活性)以鉴定对于所述分子的活性关键的氨基酸残基。同样参见Hilton等,1996,J.Biol.Chem.271:4699-4708。酶的活性部位或其它的生物相互作用也可以通过结构的物理分析而测定,如通过以下这些技术:如核磁共振、晶体学、电子衍射或光亲和标记,连同推定的接触位点氨基酸的突变来测定。参见例如de Vos等,1992,Science 255:306-312;Smith等,1992,J.Mol.Biol.224:899-904;Wlodaver等,1992,FEBSLett.309:59-64。必需氨基酸的同一性(identities)也能够从与同根据本发明的多肽相关的多肽的同一性的分析来推断。
可以使用已知的诱变、重组和/或改组(shuffling)方法,继之以相关的筛选方法,例如那些由Reidhaar-Olson和Sauer,1988,Science 241:53-57;Bowie和Sauer,1989,Proc.Natl.Acad.Sci.USA 86:2152-2156;WO 95/17413;或WO 95/22625公开的那些方法来进行并测试单个或多个氨基酸取代。可以使用的其它方法包括易错PCR、噬菌体展示(例如,Lowman等,1991,Biochem.30:10832-10837;美国专利No.5,223,409;WO 92/06204)和区域定向的诱变(Derbyshire等,1986,Gene 46:145;Ner等,1988,DNA 7:127)。
诱变/改组方法可以与高通量、自动化的筛选方法组合以检测由宿主细胞表达的克隆的、诱变的多肽的活性。可以从宿主细胞回收编码活性多肽的诱变的DNA分子,并且使用本领域内标准方法快速测序。这些方法允许快速确定感兴趣的多肽中单个氨基酸残基的重要性,并且可以应用于未知结构的多肽。
在一个进一步的具体实施方案中,本发明的木聚糖酶源自真菌木聚糖酶。上述“源自”的定义(在细菌木聚糖酶的语境中)也可通过类推适用于真菌木聚糖酶。真菌木聚糖酶包括酵母和丝状真菌木聚糖酶。在优选的实施方案中,所述木聚糖酶源自(i)子囊菌门(Ascomycota);(ii)盘菌亚门(Pezizomycotina);(iii)散囊菌目(Eurotiomycetes);(iv)散囊菌亚目(Eurotiales);(v)发菌科(Trichocomaceae),优选有丝分裂孢子性发菌科(mitosporic Trichocomaceae)的真菌;还更优选源自(vi)曲霉属(Aspergillus)的真菌;最优选源自(vii)黑曲霉(Aspergillus niger)的菌株。应当理解,上述物种的定义包含了完全(perfect)和不完全(imperfect)阶段二者,和其它分类学上的等同物(equivalent),例如,无性型(anamorph),而无论它们已知的种名。本领域的技术人员将轻易地识别适合的等同物的身份。
公众可以在许多培养物保藏机构轻易地取得上述细菌和真菌的菌株,这些保藏机构诸如美国典型培养物保藏中心(the American Type CultureCollection)(ATCC)、德意志微生物和细胞培养物保藏中心(DeutscheSammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH)(DSMZ)、真菌菌种保藏中心(Centraalbureau Voor Schimmelcultures)(CBS)和农业研究机构专利培养物保藏中心,北区研究中心(Agricultural Research Service Patent CultureCollection,Northern Regional Research Center)(NRRL)。
有关分类学的问题可以通过查询分类学数据库来解决,这样的数据库如NCBI Taxonomy Browser,其可在下述因特网站点访问:http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/taxonomyhome.html/。然而,优选参考下列手册:《Dictionary of the Fungi》,第9版,Kirk,P.M.,P.F.Cannon,J.C.David和J.A.Stalpers编,CAB Publishing,2001;及《Bergey′s Manual ofSystematic Bacteriology)》,第二版(2005)。
术语“一个(种)”在本申请中用于任何语境下时,意思是“一个(种)或多个(种)”,优选“至少一个(种)”。例如,当权利要求1使用“a”指定的木聚糖酶时即是如此,其理解为等价于使用“至少一种”或“一种或多种”这样的木聚糖酶。
术语“成熟的”多肽或成熟氨基酸序列是指氨基酸序列中切除了潜在的信号肽部分和潜在的前肽部分后剩余的部分。在酶的成熟部分中可能观察到某些变异,这取决于表达宿主和发酵条件等。例如,经验显示,有时在分泌过程中也会发生微小的C末端截短。术语“成熟部分”用于本申请时也考虑了这样的C-末端截短,如果有的话。虽然可以通过本领域已知的计算机程序(例如SignalP 3.0,见J.D.Bendtsen等,J.Mol.Biol.,340:783-795,2004)来鉴定成熟肽部分,但优选的是通过确定被表达及分泌的(如果相关的话)的木聚糖酶的N-末端,优选还确定其C-末端,来鉴定成熟肽部分。例如,根据我们的观察结果,SEQ ID NO:2的木聚糖酶的成熟部分是其氨基酸1-182,SEQ ID NO:4的木聚糖酶的成熟部分是其氨基酸1-184。
在一个具体的实施方案中,本发明的木聚糖酶是分离的,即基本上不含其它具有酶活性的多肽,例如由SDS-PAGE确定为至少约20%纯,优选至少约40%纯,更优选约60%纯,甚至更优选约80%纯,最优选约90%纯,和甚至最优选约95%纯。正如本领域公知的,为了检测的目的,SDS凝胶可以用考马斯染色或银染色。应当确保不发生过量上样(overloading),例如通过向凝胶上不同的泳道中施加多种浓度来检查线性。这样的多肽制备物特别地可以利用重组产生方法来获得,而当通过传统的发酵方法来产生该多肽时,这些制备物不能如此容易地获得,而且经受高得多的批次间变异。
本发明的组合物中包含的多肽优选也是纯化的。术语“纯化的”是指蛋白质经过富集的(protein-enriched)制备物,其中已去除了显著量的低分子量组分,来自发酵的典型残余营养物和矿物质。这样的纯化可以例如通过常规色谱方法如离子交换色谱、疏水相互作用色谱和大小排阻色谱(见例如《Protein Purification,Principles,High Resolution Methods,and Applications》编者:Jan-Christer Janson,Lars Rydén,VCH Publishers,1989)来进行。WO2005/079585的实施例2描述了一种纯化从枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)表达的饲料类芽孢杆菌木聚糖酶的合适方法。
使用分离和/或纯化的根据本发明的多肽是有利的。例如,对于基本上不含造成干扰或污染的其它酶的酶,正确地定量施用要容易得多。术语“正确地定量施用”(correctly dose)是指获得一致和恒定的动物饲喂结果的目标,和基于期望效果来最优化剂量的能力。
同一性
两个氨基酸序列之间的相关性用参数“同一性”来描述。
本发明涉及与SEQ ID NO:4的氨基酸1-184具有至少82.7%的同一性百分比的木聚糖酶在动物饲料中的用途。
在优选的实施方案中,同一性程度为至少85%、90%、95%、97%或至少99%。在其它实施方案中,同一性程度为至少82.8%、82.9%、83.0%、83.2%、83.4%、83.6%、83.8%、84.0%、84.5%、85.0%,或至少85.5%。在更进一步的实施方案中,同一性程度为至少86%、87%、88%、89%、91%、92%、93%、94%、96%或至少98%。
本发明特别涉及这样的木聚糖酶在动物饲料中的用途,所述木聚糖酶与SEQ ID NO:2的氨基酸1-182具有至少85%的百分比同一性,和/或与SEQID NO:4的氨基酸1-184具有至少86%的百分比同一性。
在更进一步的具体实施方案中,本发明的木聚糖酶包含(优选具有,或组成为)SEQ ID NO:2、SEQ ID NO:4、SEQ ID NO:6和/或SEQ ID NO:8中任一种木聚糖酶的成熟部分,或者其具有木聚糖酶活性的变体或片段。
为本发明的目的,两个氨基酸序列之间的同一性程度是基于使用EMBOSS程序包(http://emboss.org)2.8.0版中的Needle程序将这两个氨基酸序列比对来确定的。Needle程序实现的是Needleman,S.B.和Wunsch,C.D.(1970)J.Mol.Biol.48,443-453中描述的全局比对算法。所用的取代矩阵为BLOSUM62,缺口形成罚分为10,缺口延伸罚分为0.5。
本发明的氨基酸序列(“发明序列”;例如SEQ ID NO:4的氨基酸1-184)和另一氨基酸序列(“外来序列”)之间的同一性程度计算为:用这两个序列的比对中精确匹配的数目除以“发明序列”或者“外来序列”的长度(取其最短者)。结果表示为百分比同一性。
当“发明序列”与“外来序列”在重叠部分的同一位置具有相同的氨基酸残基(在下文的比对实例中这用“|”表示)。序列的长度是序列中氨基酸残基的数目(例如,SEQ ID NO:4的氨基酸1-184的长度是184)。
在下面的一个纯假设的比对实例中,重叠部分是序列1的氨基酸序列“HTWGER-NL”,或者序列2中的氨基酸序列“HGWGEDANL”。在该例子中,缺口用“-”表示。
假设的比对实例:
序列1:ACMSHTWGER-NL     12
           | |||  ||
序列2:    HGWGEDANLAMNPS14
在这个假设的实例中,精确匹配的数目是6个。最短序列的长度是12。因此,序列1对序列2的同一性程度是50%。
在一个具体的实施方案中,多肽的氨基酸序列与或对SEQ ID NO:4的氨基酸1-184的同一性百分比通过如下确定:1)使用Needle程序,及BLOSUM62取代矩阵,缺口开启罚分10,缺口延伸罚分0.5来比对这两个氨基酸序列;ii)计数比对中精确匹配的数目;iii)用精确匹配的数目除以这两个氨基酸序列中最短者的长度;和iv)将iii)的除法的结果换算成百分比。与或对本发明的其它序列(如SEQ ID NO:2的氨基酸1-182)的同一性百分比以类似的方式计算。
动物饲料
本发明还涉及在动物饲料中使用本发明的木聚糖酶的方法,以及包含它的饲料组合物和饲料添加剂。
术语“动物”包括所有的动物(包括人)。动物的例子有非反刍动物和反刍动物。反刍动物包括例如绵羊、山羊和牲畜(例如牛,如肉牛(beef cattle)和奶牛(dairy cow)等动物。在一个具体的实施方案中,所述动物是非反刍动物。非反刍动物包括单胃动物,例如猪(pigs)或猪(swines)(包括但不限于小猪、生长猪(growing pigs)和母猪(sows));家禽如火鸡、鸭和鸡(包括但不限于肉用仔鸡(broiler chicks)、蛋鸡(layers));鱼类(包括但不限于鲑鱼(salmon)、鳟鱼(trout)、罗非鱼(tilapia)、鲶鱼(catfish)和鲤鱼(carp));和甲壳类(包括但不限于虾(shrimp)和对虾(prawn))。
在优选的实施方案中,本发明的木聚糖酶用于(i)非反刍动物;优选(ii)单胃动物;更优选(iii)猪、家禽、鱼类和甲壳类;或最优选地,(iv)猪和家禽的饲料。
可以在饮食(diet)之前、之后或同时将本发明的木聚糖酶喂予动物。后者是优选的。
术语“饲料”、“饲料组合物”或“饮食”意指任何适于动物摄取或意欲供动物摄取的化合物、制备物、混合物或组合物。有关动物饲料组合物的更多信息见下文。
谷物颗粒是动物饲料的重要成分。谷物颗粒包含植物多糖,其中某些植物多糖,例如淀粉,可作为饮食中的主要营养成分起作用。但是谷物颗粒也含有多种非淀粉多糖(NSP),它们不能被非反刍动物如家禽和猪利用。
NSP的例子有木聚糖、阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖和纤维素。NSP的类型和量随谷物不同而不同。下面是多种谷物颗粒的大致NSP含量(%,w/w,干物质)的例子:珍珠稻(pearled rice)1%、高粱5%、玉米8%、小麦11%、黑麦13%、黑小麦16%、大麦17%。对于小麦、黑小麦和玉米,阿拉伯木聚糖占NSP的超过50%,而对于大麦、高粱、黑麦和稻,阿拉伯木聚糖占NSP的大约25-45%,也就是说,仍然是可观的量。
对于阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖而言,可溶性多糖和不溶性多糖之间有区别。术语“可溶性”和“不溶性”是本领域已知的,指水溶性/不溶性,特别是指这些多糖在a)消化条件下,b)肠道条件下(在小肠中),或优选c)经过如实施例1所列出的体外过程(即,pH 3.0、40℃在胃蛋白酶存在条件下经1.5小时,以及pH 6.8、40℃在胰酶制剂存在条件下经4.5小时)之后所处的形式(可溶/不溶)。
不溶性阿拉伯木聚糖酶与营养素如淀粉和蛋白质的包裹(encapsulation)相关。这种包裹使得有价值的营养素避开(by-pass)消化作用。当不溶性阿拉伯木聚糖酶也被消化时或溶解时,可导致营养物暴露的改进。
在一个具体的实施方案中,本发明的木聚糖酶能够溶解不溶性的纤维多糖,如NSP。由此,本发明涉及本发明的木聚糖酶用于在胃肠消化过程中溶解(原本不溶性的)非淀粉多糖的用途。优选的非淀粉多糖是阿拉伯木聚糖(阿拉伯木聚糖多糖)。
术语“多糖”在本领域中已知是指代具有10个或更多个单糖的糖类(参见例如《Food Chemistry》,第三版,Springer Verlag,ISBN 3-540-40817-7,Belitz,Grosch,Schieberle(编),第4.3.1节,第294页),也就是说,聚合度(DP)至少为10的糖类。
DP至少为10的多糖可以通过本领域已知的方式与DP小于10的寡糖区分开来,例如通过将80%乙醇沉淀后得到的上清液在Biogel P-2上进行凝胶过滤(参见Theander等,“The Uppsala method for rapid analysis of totaldietary fiber”,尤其是第277页图2,于《New Developments in Dietary Fiber》,Furda和Brine(编),Plenum Press,1990,p.273-281)。
特别地,本发明的木聚糖酶在如本申请实施例1、2和5所示的模拟单胃消化中的胃和小肠消化步骤的体外模型中能够减少不溶性木聚糖和阿拉伯木聚糖的量。优选地,残余(即与木聚糖酶一起温育后)的不溶性阿拉伯木聚糖的量相对于不含添加的木聚糖酶的对照(100%)为不高于85%(w/w),更优选不高于84、83、82、81、80、79、78、77、76、75、74、73、72、71或70%(w/w)。这对应于不溶性阿拉伯木聚糖量相对于不含添加的木聚糖酶的对照(0%)的至少16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29或至少30%(w/w)的减少。
在更进一步的具体实施方案中,所述体外模型的条件是:(i)底物(饮食):0.35g小麦、0.21g大麦、0.13g大豆粉和0.11g小麦麸,以预混饮食的形式提供,粉碎至通过0.5mm筛;(ii)胃步骤温育,其中在pH 3.0、40℃条件下,将饮食与0.1ml待测试的木聚糖酶连同4.1ml 0.072M HCl温育1.5小时,再与0.5ml 0.072M HCl/胃蛋白酶(Sigma P-7000;3000U/g饮食)温育1小时(即,30分钟HCl-底物预混合);(iii)后续的小肠步骤,在pH 6.8-7.0、40℃条件下,与0.9ml 0.215M NaOH加0.4ml 1M NaHCO3和胰酶制剂8mg/g饮食温育4小时(Sigma P-7545);然后(iv)测定残余的不溶性阿拉伯木聚糖的量,例如使用如实施例1和5所描述的Uppsala方法。
本发明还涉及本发明的木聚糖酶用于在胃肠消化过程中降解非淀粉多糖的用途。优选的非淀粉多糖是纤维多糖,尤其是阿拉伯木聚糖(阿拉伯木聚糖多糖)。
特别地,本发明的木聚糖酶在如本申请实施例5所述的模拟单胃消化中的胃和小肠消化步骤的体外模型中能够降解木聚糖和阿拉伯木聚糖多糖。优选地,残余(即与木聚糖酶一起温育后)的总阿拉伯木聚糖的量相对于不含添加的木聚糖酶的对照(100%)为不高于94%(w/w),更优选不高于93、92、91、90、89、88、87、86、85、84、83、82、81或80%(w/w)。
在更进一步的具体实施方案中,所述体外模型的条件是:(i)底物(饮食):0.35g小麦、0.21g大麦、0.13g大豆粉和0.11g小麦麸,以预混饮食的形式提供,粉碎至通过0.5mm筛;(ii)胃步骤温育,其中在pH 3.0、40℃条件下,将饮食与0.1ml待测试的木聚糖酶及4.1ml 0.072M HCl温育1.5小时,再与0.5ml 0.072M HCl/胃蛋白酶(Sigma P-7000;3000U/g饮食)温育1小时(即,30分钟HCl-底物预混合);(iii)后续的小肠步骤温育,在pH 6.8-7.0、40℃条件下,与0.9ml 0.215M NaOH加0.4ml 1M NaHCO3和胰酶制剂8mg/g饮食温育4小时(Sigma P-7545);然后(iv)测定残余的总阿拉伯木聚糖的量,例如使用如实施例5所描述的Uppsala方法。
本发明的木聚糖酶的剂量可以使用本领域已知的简单的试错(trial anderror)方法来最优化。不同的木聚糖酶可具有不同的最优剂量范围。合适的剂量范围的实例为:0.1-500mg酶蛋白(EP)/kg饮食(底物);优选0.2-400,0.3-300,0.4-200,或0.5-100mg EP/kg饮食。其它优选的剂量范围是0.6-90、0.7-80、0.7-70、1-70、2-70、3-70、4-70、5-70、6-70或7-70——全部以mg EP/kg饮食计。进一步优选的酶剂量为10-500、10-400、10-300、10-200、10-100、10-90、10-80或10-70——全部以mg EP/kg饮食计。木聚糖酶酶蛋白(EP)的量可以如实施例1所述测定。
为测定mg木聚糖酶酶蛋白/kg饲料,从饲料组合物中纯化出木聚糖酶,并使用相关的测定法来测定纯化的木聚糖酶的比活性。同时用相同的测定法测定该饲料组合物本身的木聚糖酶活性,基于这两个测定结果,计算以mg木聚糖酶酶蛋白/kg饲料计的剂量。
同样的原理适用于测定饲料添加剂中的mg木聚糖酶酶蛋白。当然,如果能获得用来制备所述饲料添加剂或饲料的木聚糖酶的样品,则根据该样品测定比活性(不需要从该饲料组合物或添加剂纯化所述木聚糖酶)。
术语“改善动物饲料的营养价值”意思是改善营养物的利用度(availability),从而改善动物的生长速率、体重增加和/或饲料转化(即相对于体重增加的摄取饲料重量)。
木聚糖酶可以任何形式添加到饲料中,不管是作为纯化的和/或分离的木聚糖酶,或是与意欲添加到动物饲料中的其它组分相混合,即以动物饲料添加剂的形式,如所谓的动物饲料预混物。
本发明在一个进一步的实施方案中涉及用于动物饲料中的组合物,如动物饲料、和动物饲料添加剂,例如预混物。
除了本发明的木聚糖酶之外,本发明的动物饲料添加剂还含有至少一种脂溶性维生素,和/或至少一种水溶性维生素,和/或至少一种痕量矿物质。饲料添加剂中也通常包含常量矿物质(macro-minerals)。
此外,任选的,饲料添加成分是着色剂(coloring agents),例如类胡萝卜素如β-胡萝卜素、虾青素和叶黄素;芳香化合物;稳定剂;抗微生物肽;多不饱和脂肪酸;产活性氧类物质(reactive oxygen generating species);和/或选自另一种木聚糖酶(EC 3.2.1.8)的至少一种其它酶;和/或β-葡聚糖酶(EC3.2.1.4或EC 3.2.1.6)。
抗微生物肽(AMP)的例子有CAP18、Leucocin A(明串珠菌素A)、Tritrpticin、Protegrin-1、Thanatin(死亡素)、防卫素(Defensin)、Lactoferrin(乳铁蛋白)、Lactoferricin(乳铁素)和Ovispirin如Novispirin(Robert Lehrer,2000)、Plectasins(菌丝霉素)、和Statins(他汀类),包括WO 03/044049和WO 03/048148中公开的化合物和多肽,以及上述各项的保留抗微生物活性的变体或片段。
抗真菌多肽(AFP)的实例有巨大曲霉(Aspergillus giganteus)肽和黑曲霉肽,以及它们的保留抗真菌活性的变体和片段,如WO 94/01459和WO02/090384中公开的。
多不饱和脂肪酸的例子有C18、C20和C22多不饱和脂肪酸,如花生四烯酸、二十二碳六烯酸(docosohexaenoic acid)、二十碳五烯酸和γ-亚油酸。
产活性氧类物质的例子是化学品如过硼酸盐(perborate)、过硫酸盐(persulphate)或过碳酸盐(percarbonate);和酶如氧化酶、加氧酶或合成酶。
通常,脂溶性和水溶性维生素及痕量矿物质形成意欲加入饲料中的所谓预混物的部分,而常量矿物质通常分别地添加到饲料中。富含本发明的木聚糖酶的预混物是本发明的动物饲料添加剂的一个实例。
在一个具体的实施方案中,本发明的动物饲料添加剂意欲以0.01-10.0%、更具体为0.05-5.0%;或0.2-1.0%的水平包含于(或被规定为必须包含于)动物饮食或饲料中(%表示每100g饲料的g添加剂)。对于预混物而言尤其如此。
下面是这些组分的实例的非排他性列表:
脂溶性维生素的例子有维生素A、维生素D3、维生素E和维生素K,例如维生素K3。
水溶性维生素的例子有维生素B12、生物素和胆碱、维生素B1、维生素B2、维生素B6、烟酸、叶酸和泛酸(盐)、例如Ca-D-泛酸。
痕量矿物质的例子有锰、锌、铁、铜、碘、硒和钴。
常量矿物质的例子有钙、磷和钠。
这些组分的营养需要量(以家禽和小猪/猪为例)在WO 01/58275的表A中列出。营养需要量是指这些组分应以指明的浓度在饮食中提供。
或者,本发明的饲料添加剂包含WO 01/58275的表A中指定的各单独组分中的至少一种。“至少一种”意思是任一种,一种或多种,一种,或两种,或三种,或四种,以此类推多至全部13种,或多至全部15种单独组分。更具体地说,该至少一种单独组分以这样的量包含在本发明的添加剂中,从而提供如表A的第4栏、或第5栏或第6栏所示范围内的饲料中浓度(in-feed-concentration)。
本发明还涉及动物饲料组合物。动物饲料组合物或饮食具有相对高含量的蛋白质。家禽和猪用饮食可以如WO 01/58275的表B中所示来表征。鱼用饮食可以如该表B的第4栏所示来表征。此外,此类鱼用饮食通常具有200-310g/kg的粗脂肪含量。
WO 01/58275对应于美国专利第6,960,462号,在此通过援引将其并入本申请。
根据本发明的动物饲料组合物的粗蛋白含量为50-800g/kg(优选50-600g/kg,更优选60-500g/kg,进一步更优选70-500,最优选80-400g/kg),并且还包含至少一种如本申请要求保护的木聚糖酶。在进一步的优选实施方案中,粗蛋白含量为150-800,160-800,170-800,180-800,190-800,或200-800——均以g/kg(干物质)计。
此外,或者(作为上述粗蛋白含量的替代),本发明的动物饲料组合物的可代谢能量含量为10-30MJ/kg;和/或钙含量为0.1-200g/kg;和/或有效磷含量为0.1-200g/kg;和/或甲硫氨酸含量为0.1-100g/kg;和/或甲硫氨酸加半胱氨酸含量为0.1-150g/kg;和/或赖氨酸含量为0.5-50g/kg。
在具体的实施方案中,可代谢能量、粗蛋白、钙、磷、甲硫氨酸、甲硫氨酸加半胱氨酸、和/或赖氨酸的含量为WO 01/58275的表B中范围2、3、4或5(第2-5行)之任一者之内。
粗蛋白如下计算:氮(N)乘以因数6.25,即粗蛋白(g/kg)=N(g/kg)x6.25。氮含量用凯氏定氮法(A.O.A.C.,1984,Official Methods of Analysis 14th ed.,Association of Official Analytical Chemists,Washington DC)来测定。
可代谢能量可基于下列文献来计算:NRC publication Nutrientrequirements in swine,修订的第9版,subcommittee on swine nutrition,committee on animal nutrition,board of agriculture,national research council.National Academy Press,Washington,D.C.,pp.2-6,和European Table ofEnergy Values for Poultry Feed-stuffs,Spelderholt centre for poultryresearchand extension,7361 DA Beekbergen,The Netherlands.Grafisch bedrijf Ponsen& looijen bv,Wageningen.ISBN 90-71463-12-5。
钙、有效磷、和氨基酸在完全动物饮食中的饮食含量基于如Veevoedertabel 1997,gegevens over chemische samenstelling,verteerbaarheiden voederwaarde van voedermiddelen,Central Veevoederbureau,Runderweg 6,8219pk Lelystad.ISBN 90-72839-13-7等的饲料表来计算。
在具体的实施方案中,本发明的动物饲料组合物含有0-80%的玉米和/或0-80%的高粱;和/或0-70%的小麦;和/或0-70%的大麦;和/或0-30%的燕麦;和/或0-40%的大豆粉;和/或0-25%的鱼粉;和/或0-25%肉骨粉;和/或0-20%的乳清。
动物饮食可以作为例如碎饲料(mash feed)(未制粒的)或制粒的饲料来制备。通常,将经过粉碎的饲料物料混合,并根据所述物种的具体规格加入足够量的必需维生素和矿物质。酶可以作为固体或液体酶配制物加入。例如,固体酶配制物通常在混合步骤之前或之中加入,而液体酶制备物通常在制粒步骤之后加入。酶也可以掺入饲料添加剂或预混物中,如上所述。
其它具体实施方案
这些是本发明的其它具体实施方案:
SDS-PAGE分子量在24kDa以下的木聚糖酶在动物饲料中的用途,其中优选地,所述木聚糖酶与SEQ ID NO:2的氨基酸1-182具有至少50%的同一性程度。所述木聚糖酶还可与SEQ ID NO:2的氨基酸1-182、SEQ ID NO:4的氨基酸1-184、SEQ ID NO:6的氨基酸1-188或SEQ ID NO:8的氨基酸1-228中的任一者具有至少50%的同一性百分比。在具体的实施方案中,同一性程度是至少55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、97%或至少99%。所述木聚糖酶可以是细菌木聚糖酶,优选可从类芽孢杆菌属的细菌菌株中获得的木聚糖酶,或其变体或片段。
本发明还涉及这样的木聚糖酶在制备用于动物饲料中的组合物方面的用途,以及包含此类木聚糖酶和(a)至少一种脂溶性维生素;(b)至少一种水溶性维生素,和/或(c)至少一种痕量矿物质的组合物。
本发明还涉及一种具有50-800g/kg的粗蛋白含量且包含此类木聚糖酶的动物饲料组合物,以及一种用于改善动物饲料营养价值的方法,其中将此类木聚糖酶添加到饲料中。
本发明还涉及如上定义的木聚糖酶在制备用于动物饲料中的组合物方面的用途。
本发明还涉及一种组合物,其包含如上定义的木聚糖酶,以及(a)至少一种脂溶性维生素;(b)至少一种水溶性维生素,和/或(c)至少一种痕量矿物质。所述组合物优选还包含选自下组酶的至少一种酶:另一种木聚糖酶,和/或β-葡聚糖酶。所述组合物优选是动物饲料添加剂。
本发明还涉及一种动物饲料组合物,其具有50-800g/kg的粗蛋白含量且包含如上定义的木聚糖酶。
本发明还涉及一种用于改善动物饲料营养价值的方法,其中将如上定义的木聚糖酶或如上定义的组合物添加到饲料中。
本发明还涉及如上定义的木聚糖酶用于预处理动物饲料或动物饲料组分的用途。
分子量
本发明的木聚糖酶可具有24kDa以下或低于24kDa的分子量。在具体的实施方案中,分子量低于或在23、22、21、20、19、18、17、16、15、14、13、12、11以下,或者低于或在10kDa以下。在作为选择的实施方案中,MW低于或在30、29、28、27、26或25kDa以下。
本发明的木聚糖酶还可具有低于或在24000Da以下的分子量。在具体的实施方案中,分子量低于或在23000、22000、21000、20000、19000、18000、17000、16000、15000、14000、13000、12000、11000Da以下,或者低于或在10000Da以下。在作为选择的实施方案中,分子量低于或在30000、29000、28000、27000、26000或25000Da以下。
在具体的实施方案中,本发明的木聚糖酶的指明的分子量包括糖基化(glysosylation),如果有的话。或者,本发明的木聚糖酶的分子量不包括糖基化。
分子量可通过SDS-PAGE(十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳)来测定,这种本领域公知的一种测定蛋白质分子量(MW)的有用方法。
在实施例3中可找到一种通过SDS-PAGE测定分子量的合适规程。在供选择的实施方案中,进行实施例3的实验:(i)用10%Bis-Tris凝胶和MOPS运行缓冲液;(ii)使用BenchMark Ladder(目录号10747-012),其商业上可从Invitrogen/Novex得到且包含20、25和30kDa的蛋白质;和/或(iii)使用Tricine和Tris-甘氨酸凝胶,它们商业上也可从Invitrogen/Novex得到。实施例3是对一种发酵上清液的SDS-PAGE,关于哪条带代表木聚糖酶是没有疑问的(只有一个具有期望大小的主带)。但是如果有疑问的话,木聚糖酶可能需要纯化到更高的程度,如果有抗体的话,可以进行Western印迹,或者可以将关注的条带切下进行N末端序列测定,这样做可以鉴定该木聚糖酶。
作为选择,可以计算一个木聚糖酶分子中所有原子的原子量的总和来作为木聚糖酶的分子量。为此目的,使用成熟蛋白中氨基酸的平均同位素质量和一个水分子的平均同位素质量。分子量可以从1997IUPAC标准原子量获得。计算蛋白质分子量的程序可以例如在下列因特网站点获得:http://www.expasy.org/tools/pi_tool.html(也参见Gasteiger等,John M.Walker(编):The Proteomics Protocols Handbook,Humana Press(2005),pp.571-607)。
在另一个替代方案中,木聚糖酶的分子量可以使用质谱法(例如Maldi-TOF)来测定,这也是本领域公知的。
糖基化是将糖附接于蛋白质的现象。糖基化仅当在真核生物如真菌和转基因植物中表达蛋白时才观察到,而在原核生物如细菌中表达时则没有。有多种糖基化类型:针对天冬酰胺侧链的酰胺氮的N-连接糖基化,和针对丝氨酸和苏氨酸侧链的羟基氧的O-连接糖基化。例如,成熟的糖蛋白可含有多种寡聚甘露糖N-连接寡糖,这些寡糖含有5-9个甘露糖残基。
显然,当基于蛋白质序列计算分子量时,其未反映(account for)翻译后修饰如糖基化的影响。
但是糖基化确实会导致SDS-PAGE凝胶中的蛋白质迁移,而且通过质谱(Maldi-TOF)也可观察到糖基化。因此,如果想要排除这些方法中糖基化的影响,可以首先将木聚糖酶去糖基化。去糖基化试剂盒是本领域公知的并可用于此目的,例如,Enzymatic CarboReleaseTM试剂盒(目录号KE-DG01,其商业上可从QA-Bio,LLC,73 Sutton Place West,Palm Desert,CA92211,US得到)。该试剂盒包括去除所有N-连接寡糖和许多O-连接糖所需的试剂、对照和酶。该试剂盒中包含下列去糖基化酶:PNGase F(脑膜脓毒性金黄杆菌(Chryseobacterium meningosepticum)),O-糖苷酶(肺炎链球菌(Streptococcuspneumoniae)),唾液酸酶(产脲节杆菌(Arthrobacter ureafaciens)),β-半乳糖苷酶(肺炎链球菌),氨基葡萄糖苷酶(肺炎链球菌)。
蛋白质的分子量当然取决于其组成氨基酸的数目以及确切的化学组成。作为分子量的估计,可以选择仅指称氨基酸的数目。这样,本发明的木聚糖酶可不限定其分子量,而可具有由220个以下的氨基酸残基组成的成熟氨基酸序列。在这个方面的一个具体的实施方案中,氨基酸的数目为215、210、200个以下;或195个以下;优选为194、193、192、191以下,或190个以下;还更优选189、188、187、187、186、185、184个以下,或183个以下。
在具体的实施方案中,(i)本发明的木聚糖酶用作唯一的木聚糖酶;(ii)该木聚糖酶不是来自枯草芽孢杆菌的23kDa GH11 xynA;(iii)该木聚糖酶不是具有SWISSPROT:P18429的序列的木聚糖酶的成熟部分;(iv)该木聚糖酶不是Belfeed B 1100MP或ML产品(商业上可从BelFeed,Belgium得到,参见http://www.agrimex.be)中所含的木聚糖酶。
下面的实施例中进一步描述了本发明,这些不应解释为对本发明范围的限制。
实施例
用作缓冲剂或底物的化学品是至少试剂级的商业产品。
实施例1:木聚糖酶体外测试:NSP的溶解
本项研究的目的是考察多种木聚糖酶有关非淀粉多糖(NSP)溶解的效力。
木聚糖酶
测试了下列木聚糖酶:
RONOZYME WX木聚糖酶,一种已知的单组分动物饲料木聚糖酶,源自细毛嗜热霉(Thermomyces lanuginosus),商业上可从DSM NutritionalProducts,Wurmisweg 576,CH-4303Kaiseraugst,Switzerland得到(该木聚糖酶在WO 96/23062中也有记载);
一种来自饲料类芽孢杆菌的木聚糖酶,具有SEQ ID NO:2的氨基酸1-182的氨基酸序列,在WO 2005/079585中有记载;
一种来自类芽孢杆菌属菌种(多粘类芽孢杆菌)的木聚糖酶,具有SEQ IDNO:4(UNIPROT:Q9F9B9)的氨基酸1-184的氨基酸序列;
一种来自黑曲霉的木聚糖酶("xyl II"),具有SEQ ID NO:6的氨基酸1-188的氨基酸序列,(与WO 97/13853中具有SEQ ID NO:6的木聚糖酶非常相似);和
另一种来自黑曲霉的木聚糖酶("xyl III")的成熟部分(不包括信号肽和前肽,如果有的话),其完整氨基酸序列在本申请中是SEQ ID NO:8(与WO2004/018662中具有SEQ ID NO:9的木聚糖酶相同)。
如本领域中已知的那样将上述两种细菌木聚糖酶在枯草芽孢杆菌中表达,将两种曲霉属木聚糖酶在米曲霉(Aspergillus oryzae)中表达。将表达菌株发酵,将含有木聚糖酶的上清液用于下述的实验,只是对饲料类芽孢杆菌木聚糖酶用标准方法进行了进一步纯化。根据SDS凝胶估计了木聚糖酶上清液的酶蛋白含量,而经纯化的饲料类芽孢杆菌木聚糖酶的酶蛋白含量如下文所述测定。
本研究关注的是在模拟单胃消化中的胃和小肠消化步骤的过程中进行体外温育后不溶性阿拉伯木聚糖含量的定量。在所述体外系统中,将多达60个包含感兴趣底物的试管与HCl/胃蛋白酶温育(模拟胃消化),然后与胰酶制剂温育(模拟肠消化)。对于所包括的每个处理使用三个试管。在肠温育阶段结束时,取出体外消化物的样品,并分析不溶性NSP。
下表中显示了上述体外过程的概要,其中pH和温度表示各个设定点(目标值)。
体外消化过程概要
Figure A200780036415D00231
条件
底物:         0.35g小麦、0.21g大麦、0.13g大豆粉和0.11g小麦麸,
               作为预混饮食提供,经粉碎至通过0.5mm筛
pH:           胃步骤=pH 3.0/肠步骤=pH 6.8-7.0
HCl:          0.072M,1.5小时(即30min HCl-底物预混)
胃蛋白酶:     3000U/g饮食,1小时(Sigma P-7000)
胰酶制剂:     8mg/g饮食,4小时(Sigma P-7545)
温度:         40℃
重复:         3
溶液
0.215M NaOH
0.072M HCl
0.072M HCl,含6000U胃蛋白酶/5ml
1M NaHCO3含16mg胰酶制剂/ml
100mM NaAc-缓冲液,pH 5.0
酶蛋白测定
木聚糖酶酶蛋白(EP)量根据A280值和氨基酸序列(氨基酸组成)使用S.C.Gill & P.H.von Hippel,Analytical Biochemistry 182,319-326,(1989)概括的原理来测定。
体外模型的实验步骤
实验步骤是依照上述概要进行的。在1、2.5和5.5小时的时间测量pH。在6小时后终止温育,移出样品置于冰上,然后离心(10000xg,10min,4℃)。弃去上清,并将沉淀残余物用100mM乙酸盐缓冲液(pH 5.0)洗涤一次。
分析
依照Theander等(1995):Total dietary fiber determined as neutral sugarresidues,uronic acid residues,and Klason lignin(the Uppsala method):Collaborative study,J.AOAC Int.vol.78,no.4,pp.1030-1044进行残余NSP的分析,只是在本实施例中没有分析纤维素。简单地说,利用α-淀粉酶和淀粉葡糖苷酶通过酶消化过程来去除样品中的淀粉。然后用80%乙醇沉淀非淀粉多糖,并在125℃下于0.4M硫酸中水解非淀粉多糖。利用气相-液相色谱将释放的中性糖作为乙酸糖醇酯(alditol acetates)定量,相对于内标并考虑初始样品重量来计算它们的含量。
下面的表1显示与所述各种木聚糖酶体外温育后,饲料中阿拉伯糖、木糖和阿拉伯木聚糖(阿拉伯糖和木糖的总和)残余物的含量(干物质的%)。对照未添加木聚糖酶。
表1
Figure A200780036415D00241
Figure A200780036415D00251
abcd:一行中不具有相同字母上标的平均值之间有统计学上显著的差异(meanswithin a row sharing a common letter superscript differ with statistical significance)(P<0.05)。
从表1可见,令人惊讶的是,就对不溶性纤维多糖(NSP)的溶解而言,与1)未添加木聚糖酶的对照,2)已知的动物饲料木聚糖酶RONOZYME WX,以及3)两种黑曲霉木聚糖酶比较,饲料类芽孢杆菌木聚糖酶和多粘类芽孢杆菌木聚糖酶统计学上显著地更好。
实施例2:剂量应答效应
在如实施例1所述的体外实验中测试各种剂量的饲料类芽孢杆菌木聚糖酶。
下面的表2显示了与不同剂量的这种木聚糖酶体外温育后,饲料中不溶性阿拉伯糖、木糖和阿拉伯木聚糖(阿拉伯糖和木糖的总和)残余物的含量(%鲜重(fresh weight))。对照未添加木聚糖酶。
表2
Figure A200780036415D00252
abcd:一行中不具有相同字母上标的平均值之间有统计学上显著的差异(P<0.05)。
从表2可见,饲料类芽孢杆菌木聚糖酶对不溶性纤维多糖(NSP)的溶解具有明显的、统计上显著的剂量-应答效应。
实施例3:分子量的测定
将表达SEQ ID NO:6之氨基酸1-188的木聚糖酶的转化米曲霉宿主在500ml带挡板摇瓶中用100ml YP+2% G培养基(10g酵母提取物,20g胰蛋白胨,加水至1L,121℃高压灭菌20分钟,加100ml 20%无菌葡萄糖溶液)在30℃、200RPM条件下发酵4天。将发酵液通过0.22μm(微米)过滤元件过滤以提供上清液。
将10μl(微升)所述上清液与10μl NuPAGE
Figure A200780036415D0026103347QIETU
 LDS样品缓冲液(4X)(可从Invitrogen,目录号NP0007获得)、2μl 1% EDTA、2μl 6% PMSF、4μl 0.5MDTT和2μl H2O混合,至总体积20μl。
将20μl样品加热到99℃经过3分钟,再施加于SDS-PAGE凝胶,该凝胶类型为NuPAGE
Figure A200780036415D0026103347QIETU
 Novex 10% Bis-Tris 1mm凝胶,可从Invitrogen(目录号NP0301BOX)获得。
运行缓冲液:上部缓冲液室,200ml 1X NuPAGE
Figure A200780036415D0026103347QIETU
 MES SDS运行缓冲液(目录号NP0002),含500μl NuPAGE
Figure A200780036415D0026103347QIETU
抗氧化剂(目录号NP0005)。下部缓冲液室,600ml 1X NuPAGE
Figure A200780036415D0026103347QIETU
MES SDS运行缓冲液。
运行条件:两步,即:30min 50mAmp,和20min 100mAmp.
染色:Simply Blue Stain TM Safe染色,来自Invitrogen(目录号LC6065).
清洗:用去离子水5分钟3次,每次用大约100ml。
染色:用Simply Blue染色缓冲液覆盖凝胶。在室温染色至少1小时。
脱色:去除染料,用去离子水洗涤凝胶。
分子量标记:Amersham’s Low Molecular Weight Calibration Kit for SDSElectrophoresis(Amersham的SDS电泳用低分子量校正试剂盒)(产品编码17-0446-01)。
根据SDS-PAGE凝胶判断xyl II黑曲霉木聚糖酶的分子量为24kDa以下。
实施例4:木聚糖酶活性的测定
本测定法是木聚糖酶测定的一个实例。它特别适合用于测定本发明的类芽孢杆菌属木聚糖酶的活性。
底物:0.2%来自小麦的AZCL-阿拉伯木聚糖(Megazyme),于0.2MNa-磷酸盐缓冲液pH 6.0+0.01% Triton-x-100中。
标准品:Bio-Feed小麦FXU标准品(如批次43-1195,可应要求从Novozymes A/S,Krogshoejvej 36,DK-2880 Bagsvaerd,Denmark得到)。
稀释:在0.01% Triton-x-100中。
FXU/ml:0.05;0.10;0.15;0.20;0.25;0.30;0.40。
方法:将900μl(微升)底物在热混合仪中预热到37℃。加入100μl样品。以最大速度在37℃温育15min。冰上2min。20000x G旋转1min。将2x200μl上清液转移到微量滴定板上。测定终点OD 590nm。
实施例5:NSP的体外溶解和全降解
本项研究的目的是比较本发明的木聚糖酶和同源的已知动物饲料木聚糖酶关于非淀粉多糖(NSP)的溶解和全降解的效力。
木聚糖酶
测试了下列木聚糖酶:
The RONOZYME WX木聚糖酶和本发明的来自饲料类芽孢杆菌的木聚糖酶(二者都在实施例1中有描述),和用于比较的具有SEQ ID NO:9(Swissprot Q6TLP3)中氨基酸1-185的序列的木聚糖酶。
用于比较的木聚糖酶是在一种弱蛋白酶性枯草芽孢杆菌菌株中从合成基因表达的。从其发酵物制备了含木聚糖酶的培养液,并使用标准方法纯化木聚糖酶。为了使可能的蛋白酶失活,将添加了同样体积的50mM乙酸pH 4.0,并用50%乙酸调节到pH 4.0的过滤培养液,在含250mL的500mL摇瓶中在水浴中在37℃温育30分钟。在温育过程中用磁力搅拌器轻柔地搅拌溶液。温育后,将溶液在12,000g离心30分钟,并将上清液与沉淀分离。蛋白酶活性如下测量:底物N-琥珀酰-Ala-Ala-Pro-Phe-对硝基酰替苯胺(N-Succinyl-Ala-Ala-Pro-Phe-pNitroanilid)(Sigma,S7388),测定缓冲液:100mM HEPES pH7.5(0.01% Triton X-100),酶在0.01% Triton X-100中稀释,25℃ 10分钟后读取OD405。
所得的木聚糖酶是基本上纯的(SDS凝胶上一条带),分子量大约22kDa(通过SDS-PAGE测定)。
基于SDS凝胶估计商品木聚糖酶的酶蛋白含量,而如实施例1所述测定纯化的饲料类芽孢杆菌木聚糖酶和用于比较的木聚糖酶的酶蛋白含量。
用于体外模型的实验步骤
这项研究集中于在如实施例1所述的单胃消化步骤中体外温育之后不溶性木聚糖以及总木聚糖含量的定量(参见:“体外模型的实验步骤”、“条件”、“溶液”和“酶蛋白测定”)。
对于不溶性阿拉伯木聚糖的测定,在1、2.5和5.5小时的时间测定pH。在6小时后终止温育,移出样品置于冰上,然后离心(10000xg,10min,4℃)。弃去上清,并将不溶性沉淀残余物用乙酸盐缓冲液(100mM,pH 5.0)洗涤一次。
对于总阿拉伯木聚糖的测定,在1、2.5和5.5小时的时间测量pH。在6小时后终止温育。添加无水乙醇得到样品中80%的乙醇浓度,以沉淀所有聚合度(DP)大于10(DP>10)的多糖。然后将样品在冰上冷却(4℃),然后离心(10000xg,10min,4℃)。弃去上清,将沉淀残余物用80%乙醇洗涤1次。
分析
依照Theander等,如实施例1中所述分析沉淀残余物中的阿拉伯木聚糖NSP。将多糖(DP>10)在硫酸中与内标(肌醇)一起水解并对释放的中性糖(阿拉伯糖+木糖)定量。
结果
表3显示饲料中不溶性阿拉伯糖+木糖(阿拉伯木聚糖)残余物的干物质含量(%),即与木聚糖酶体外温育之后不溶性的阿拉伯木聚糖NSP。
表4显示饲料中总阿拉伯糖+木糖(阿拉伯木聚糖)残余物的干物质含量(%),即不溶性与可溶性的阿拉伯木聚糖NSP的总和。
两个表中对照都没有添加木聚糖酶。
表3
Figure A200780036415D00291
abcde:一行中不具有相同字母上标的平均值之间有统计学上显著的差异(P<0.05)。
表4
Figure A200780036415D00292
abcd:一行中不具有相同字母上标的平均值之间有统计学上显著的差异(P<0.05)。
从表3可见,令人惊讶的是,就溶解阿拉伯木聚糖部分的能力而言,与1)未添加木聚糖酶的对照,2)商品动物饲料木聚糖酶RONOZYME WX,以及3)用于比较的Q6TLP3木聚糖酶相比较,饲料类芽孢杆菌木聚糖酶统计学上显著地更好。
可溶性阿拉伯木聚糖的含量将在体外温育混合物离心后进入上清液中,因此不会包含在不溶性阿拉伯木聚糖的测定中。
总阿拉伯木聚糖的含量(表4)包含不溶性阿拉伯木聚糖的含量以及可溶性阿拉伯木聚糖的含量。
表4和表3的对应值之间的差表示在体外温育过程中已被木聚糖酶降解为小于DP 10的寡聚物的NSP的量。
显然,所考察的木聚糖酶在阿拉伯木聚糖部分(表3)的溶解中比它们在总降解中(表4)效率更高。这是家族11木聚糖酶的典型性质。此外,从表4可见,5mg EP/kg饮食的饲料类芽孢杆菌木聚糖酶与1)不添加木聚糖酶的对照,和2)已知的动物饲料木聚糖酶RONOZYME WX相比较,就降解阿拉伯木聚糖部分的能力而言在统计学上显著地更好,而且其3)在数值上比用于比较的Q6TLP3木聚糖酶效率更高(4%)。
实施例6:动物饲料和饲料添加剂组合物
将含有0.050g木聚糖酶酶蛋白的SEQ ID NO:2的饲料类芽孢杆菌木聚糖酶配制物添加到下列预混物中(每千克预混物):
5000000 IE      维生素A
1000000 IE      维生素D3
13333   mg      维生素E
1000    mg      维生素K3
750     mg      维生素B1
2500    mg      维生素B2
1500    mg      维生素B6
7666    mcg     维生素B12
12333   mg      烟酸
33333   mcg     生物素
300     mg      叶酸
3000    mg      Ca-D-泛酸
1666    mg      Cu
16666   mg      Fe
16666   mg      Zn
23333   mg      Mn
133     mg      Co
66      mg      I
66      mg      Se
5.8     %      钙
25      %      钠
动物饲料
这是一种动物饲料(肉用仔鸡饲料)的实例,包含0.5mg/kg(0.5ppm)的SEQ ID NO:2的饲料类芽孢杆菌木聚糖酶(以木聚糖酶酶蛋白计算):
65.00%     小麦
32.35%     大豆粉(50%粗蛋白,CP)
1.0%       大豆油
0.2%       DL-甲硫氨酸
0.22%      DCP(磷酸二钙(dicalsium phosphate))
0.76%      CaCO3(碳酸钙)
0.32%      砂
0.15%      NaCl(氯化钠)
1%         上述预混物
将成分混合,并在期望的温度(例如70℃)将饲料制粒。
本申请所描述并要求保护的发明不局限于本申请公开的具体方面的范围内,因为这些方面意欲说明本发明的数个方面。任何等同的方面意欲包括在本发明的范围内。事实上,除了本申请显示和描述的那些以外,本领域技术人员根据前文的描述将显而易见地想到本发明的各种修改形式。这些修改形式也意欲落入本申请所附的权利要求的范围内。如有冲突,当以包括定义的本申请公开为准。
本申请引用了多篇参考文献,其公开内容通过援引整体并入本申请。
序列表
<110>诺维信公司(Novozymes A/S)
<120>用于动物饲料的木聚糖酶
<130>10987.204-WO
<160>9
<170>PatentIn version 3.4
<210>1
<211>630
<212>DNA
<213>饲料类芽孢杆菌(Paenibacillus pabuli)DSM 16232
<220>
<221>CDS
<222>(1)..(630)
<220>
<221>信号肽
<222>(1)..(84)
<220>
<221>成熟肽
<222>(85)..(630)
<400>1
Figure A200780036415D00321
Figure A200780036415D00331
<210>2
<211>210
<212>PRT
<213>饲料类芽孢杆菌DSM 16232
<400>2
Figure A200780036415D00332
<210>3
<211>1409
<212>DNA
<213>类芽胞杆菌属菌种(Paenibacillus sp.)KCTC 8848P
<220>
<221>CDS
<222>(725)..(1360)
<220>
<221>信号肽
<222>(725)..(808)
<220>
<221>成熟肽
<222>(809)..(1360)
<400>3
Figure A200780036415D00341
Figure A200780036415D00351
<210>4
<211>212
<212>PRT
<213>类芽胞杆菌属菌种KCTC 8848P
<400>4
Figure A200780036415D00352
<210>5
<211>786
<212>DNA
<213>黑曲霉(Aspergillus niger)DSM 12665
<220>
<221>CDS
<222>(6)..(680)
<220>
<221>信号肽
<222>(6)..(116)
<220>
<221>成熟肽
<222>(117)..(680)
<400>5
<210>6
<211>225
<212>PRT
<213>黑曲霉DSM 12665
<400>6
Figure A200780036415D00371
<210>7
<211>1086
<212>DNA
<213>黑曲霉DSM 12665
<220>
<221>CDS
<222>(65)..(832)
<220>
<221>信号肽
<222>(65)..(148)
<220>
<221>成熟肽
<222>(149)..(832)
<400>7
Figure A200780036415D00372
Figure A200780036415D00381
<210>8
<211>256
<212>PRT
<213>黑曲霉DSM 12665
<400>8
Figure A200780036415D00382
Figure A200780036415D00391
<210>9
<211>214
<212>PRT
<213>未知的
<220>
<223>来自环境样品的细菌
<220>
<221>信号
<222>(1)..(29)
<220>
<221>成熟肽
<222>(30)..(214)
<400>9
Figure A200780036415D00392
Figure A200780036415D00401

Claims (11)

1.木聚糖酶在动物饲料中的用途,所述木聚糖酶与SEQ ID NO:4的氨基酸1-184具有至少82.7%的同一性百分比,该同一性百分比是如下确定的:1)用Needle程序比对两个氨基酸序列,使用BLOSUM62取代矩阵,缺口形成罚分为10,且缺口延伸罚分为0.5;2)对于比对中精确匹配的数目进行计数;iii)用精确匹配的数目除以所述两个氨基酸序列中最短者的长度,和iv)将iii)的除法的结果换算成百分比。
2.权利要求1的用途,其中所述木聚糖酶包含i)SEQ ID NO:2的氨基酸1-182,ii)SEQ ID NO:4的氨基酸1-184,或iii)是i)和ii)的任一木聚糖酶的变体或片段。
3.权利要求1-2中任一项所定义的木聚糖酶在制备用于动物饲料的组合物中的用途。
4.一种组合物,其包含权利要求1-2中任一项所定义的木聚糖酶,和
(a)至少一种脂溶性维生素;
(b)至少一种水溶性维生素;和/或
(c)至少一种痕量矿物质。
5.权利要求4的组合物,还包含至少一种选自下组的酶:另一种木聚糖酶和/或β-葡聚糖酶。
6.权利要求4-5中任一项的组合物,其是动物饲料添加剂。
7.一种动物饲料组合物,其具有50-800g/kg的粗蛋白含量,且包含如权利要求1-2中任一项定义的木聚糖酶。
8.一种改善动物饲料的营养价值的方法,其中将如权利要求1-2中任一项定义的木聚糖酶或权利要求4-6中任一项的组合物添加于饲料。
9.如权利要求1-2中任一项定义的木聚糖酶用于在胃和肠消化期间溶解非淀粉多糖的用途。
10.如权利要求1-2中任一项定义的木聚糖酶用于在胃和肠消化期间降解非淀粉多糖的用途。
11.如权利要求1-2中任一项定义的木聚糖酶用于预处理动物饲料或动物饲料组分的用途。
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