CN101974499A - 热稳定性提高的脂肪酶突变体 - Google Patents

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徐岩
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Abstract

热稳定性提高的脂肪酶突变体，属于酶的基因工程技术领域。本发明公开了由华根霉(Rhizopus chinensis)CCTCC No.M201021脂肪酶作为亲本，经分子生物学技术而获得的热稳定性提高的脂肪酶突变体。在各突变体的氨基酸序列中，涉及到的氨基酸突变为Met101Thr、Glu107Gly、Ala129Ser、Ser151Asn、Cys160Leu、Lys161Arg、Pro168Leu、Pro168His、Leu180His、Asp182Tyr、Thr183Ala、Thr218Ser、Lys219Asp、Ala230Phe、Ser234Phe、Val261Gly、His317Pro、Val329Ala、Glu363Arg、Asn366Asp、Ser373Cys中的一种或几种。以在65℃下半衰期t50来表示，这些突变体的热稳定性较亲本华根霉脂肪酶得到了提高。本发明也公开了编码脂肪酶突变体的DNA序列、表达载体、宿主细胞。

Description

热稳定性提高的脂肪酶突变体
技术领域
本发明涉及热稳定性提高的脂肪酶突变体，具体地说涉及利用分子生物学技术获得热稳定性提高的脂肪酶突变体，属于酶的基因工程技术领域。
背景技术
脂肪酶(EC 3.1.1.3)不仅能催化油脂水解，也能在非水相中催化酯合成、转酯化、酸解等反应，被广泛地应用于化学，食品，制药和洗涤剂或生物能源工业中。微生物是脂肪酶的一个重要来源，而根霉又是微生物脂肪酶的重要生产菌。如今，已有超过30种根霉脂肪酶实现了商品化生产。根霉脂肪酶大都具有高度1，3-位置选择性，因此常用于油脂加工中。但是油脂加工通常需要在较高温度下进行，而根霉脂肪酶属于中温脂肪酶，在65℃下的半衰期仅有15min左右，热稳定性差不仅限制了其应用范围，而且易于失活，增加了生产成本。
定向进化属于非理性设计，是指通过在实验室中模拟达尔文自然进化过程，针对某一蛋白质酶的基因，通过改进的诱变技术改造的酶的基因，然后根据特定的改造目的，筛选有价值的天然酶。近10年来，定向进化技术已经在酯酶和脂肪酶性质改造领域取得巨大的成功，主要集中于提高酶的催化反应活性，改进底物特异性，提高热稳定性，对映立体选择性等方面(Johannes TW et al.Curr.Opin.Microbiol，2006，9：261-267)。
发明人在前期研究中成功从酿造浓香型大曲酒的酒曲中筛选到一株高产脂肪酶的华根霉(Rhizopus chinensis)CCTCC M 201021菌株，并从该菌株中首次克隆得到脂肪酶基因序列，并实现该脂肪酶在巴斯德毕赤酵母(Pichiapastoris)中的高水平分泌表达(Yu Xiao-Wei et al.J Mol CatalB：Enzym，2009，57：304-311)。本发明以华根霉脂肪酶基因为模板，利用定向进化技术获得了热稳定性显著提高的脂肪酶突变体。
酶分子的热稳定性提高可以用其半衰期(t50)来体现。即酶的活力降低到原来活力一半时所需要的时间。半衰期长，则酶稳定性高。反之，则稳定性差。因此，t50的提高代表了酶分子热稳定性的提高。
定义：
氨基酸和DNA核酸序列的命名法
使用氨基酸残基的公认IUPAC命名法，用三字母代码形式。DNA核酸序列采用公认IUPAC命名法。
脂肪酶突变体的标识
采用“原始氨基酸位置替换的氨基酸”来表示脂肪酶突变体中突变的氨基酸。如Glu107Gly，表示位置107的氨基酸由亲本脂肪酶的Glu替换成Gly，位置的编号对应于附件序列表1中亲本华根霉脂肪酶RCL的氨基酸序列编号。如Leu180His/Thr218Ser，表示位置180和位置218的氨基酸都发生了突变。
发明内容
本发明的目的在于提供热稳定性提高的脂肪酶突变体。
本发明的技术方案：热稳定性提高的脂肪酶突变体，其特征在于由亲本华根霉(Rhizopus chinensis)CCTCC M 201021脂肪酶进行定向进化，通过易错PCR、DNA Shuffling和定点突变，获得脂肪酶突变体，亲本华根霉氨基酸序列SEQ ID NO：1中在氨基酸取代位置发生突变，采用“原始氨基酸-位置-替换的氨基酸”来表示脂肪酶突变体中突变的氨基酸，所述脂肪酶突变体为：，
表1
Figure BSA00000230966100021
华根霉脂肪酶氨基酸突变体的氨基酸序列为SEQ ID NO：2，有22个突变氨基酸，底色标记显示。
用于表达所述的脂肪酶突变体的表达载体为：pPIC9K，pPIC3.5K，pPICZα，pPICZ；
用于所述的表达载体转化的微生物宿主细胞为毕赤酵母。
与亲本华根霉脂肪酶相比，所述脂肪酶突变体的热稳定性获得了提高，以在65℃下的半衰期t50来表示热稳定性的提高，所述脂肪酶突变体的半衰期以及提高的倍数如下：
表2
Figure BSA00000230966100031
亲本华根霉脂肪酶在65℃下的半衰期t50为16.5min。
本发明的有益效果：运用分子生物学方法对亲本华根霉脂肪酶进行定向进化，通过易错PCR、DNA Shuffling和定点突变，获得脂肪酶突变体，以半衰期t50表示，脂肪酶突变体的热稳定性得到了提高，如表2所示。
附图说明
根据上海生工生物工程技术服务有限公司测序结果确定突变氨基酸，各个突变体的氨基酸突变位点测序结果如下。
图1脂肪酶突变体1：Ser234Phe测序峰图。
图2脂肪酶突变体2：a：Pro168Leu，b：Val329Ala测序峰图。
图3脂肪酶突变体3：Cys160Leu测序峰图。
图4脂肪酶突变体4：a：His317Pro，b：Met101Thr测序峰图。
图5脂肪酶突变体5：a：Ser151Asn，b：Leu180His测序峰图。
图6脂肪酶突变体6：a：Val261Gly，b：Ser373Cys测序峰图。
图7脂肪酶突变体7：a：Asp182Tyr，b：Ala230Phe测序峰图。
图8脂肪酶突变体8：a：Leu180His，b：Thr218Ser测序峰图。
图9脂肪酶突变体9：a：Asn366Asp，b：Leu180His，c：Val329Ala测序峰图。
图10脂肪酶突变体10：a：Ser234Phe，b：Leu180His，c：Thr218Ser测序峰图。
图11脂肪酶突变体11：a：Ser234Phe，b：Pro168His，c：Val329Ala，d：Cys160Leu，e：His317Pro，f：Met101Thr测序峰图。
图12脂肪酶突变体12：a：Leu180His，b：Thr218Ser，c：Val261Gly，d：Lys161Arg测序峰图。
图13脂肪酶突变体13：a：Glu107Gly，b：Ala129Ser，C：Glu363Arg，d：Lys161Arg，e：Val261Gly，f：Leu180His测序峰图。
图14脂肪酶突变体14：a：Lys161Arg，b：Leu180His，c：Thr218Ser，d：Met101Thr，e：Thr183Ala，f：Glu107Gly，g：Ser151Asn，h：Glu363Arg测序峰图。
图15脂肪酶突变体15：a：Glu107Gly，b：Ala129Ser，c：Ser151Asn，d：Lys161Arg，e：Leu180His，f：Ser234Phe，g：Glu363Arg，h：Val329Ala测序峰图。
图16脂肪酶突变体12-1：a：Ala230Phe，b：Leu180His，c：Thr218Ser，d：Val261Gly，e：Lys161Arg测序峰图。
图17脂肪酶突变体13-1：a：Glu107Gly，b：Ala129Ser，c：Ser151Asn，d：Lys219Asp，e：Leu180His，f：Glu363Arg，g：Ala230Phe测序峰图。
实施例中涉及到的培养基及试剂配方如下：
LB液体培养基：蛋白胨1％，酵母提取物0.5％，NaCl 1％，pH7.0。
YPD(Yeast Extract Peptone Dextrose Medium)：Yeast Extract 1％，Trypton 2％，Dextrose 2％，制作平板时加入Agar 2％。121℃高压灭菌20min。用于筛选G418抗性时加入G418至终浓度为0.25mg/mL-1.0mg/mL，即YPD-G418平板。
MD(Minimal Dextrose Medium)：YNB 1.34％，Biotin 4×10-5％，Dextrose 2％，Agar 2％。
MM(Minimal Methanol Medium)：YNB1.34％，Biotin4×10-5％，Methanol 0.5％，Agar2％。
BMGY(Buffered Glycerol-complex Medium)：Yeast Extract 1％，Trypton 2％，YNB 1.34％，Biotin 4×10-5％，Glycerol 1％，磷酸钾溶液pH 6.0、100mmol/L。
BMMY(Buffered Methanol-complex Medium)：Yeast Extract 1％，Trypton 2％，YNB1.34％，Biotin 4×10-5％，Methanol 0.5％，磷酸钾溶液100mmol/L。
培养基中的单位为％(W/V)
Fast-blue RR染色剂：360μL萘酯(20mg萘酯溶于1mL 2-甲基甲酰胺)与160μL Fast blue RR(80mg Fast blue RR溶于1mL二甲亚砜)相混合。
实施例1、利用易错PCR方法构建表达脂肪酶突变体的毕赤酵母文库
利用易错PCR技术在体外向华根霉脂肪酶基因proRCL引入核苷酸突变。易错PCR的反应条件如下：
dCTP(25mmol/L)                          2μL
dTTP(25mmol/L)                          2μL
dGTP(10mmol/L)                          1μL
dATP(10mmol/L)                          1μL
F(20pmol/μL)                           1μL
R(20pmol/μL)                           1μL
Mg2+(25mM)                              14μL
Mn2+(5mM)                               1.5μL
pPIC9K-proRCL
(携带有华根霉脂肪酶基因proRCL的质粒)    0.5μL
Taq DNA聚合酶(2.5U)                     1μL
10×PCR缓冲液(不含MgCl2)                5μL
ddH2O                                   20μL
其中，上游引物F和下游引物R序列为：
F：5′-TCAAGATCCCTAGGGTTCCTGTTGGTCATAAAGGTTC-3′；
R：5′-AATTCCAGTGCGGCCGCTTACAAACAGCTTCCTTCG-3′。
PCR扩增条件：94℃3min；94℃1min，59℃1min，72℃2min，30个循环；72℃10min。
易错PCR扩增产物经DNA纯化试剂盒纯化后，限制性内切酶AvrⅡ和NotI分别对易错PCR扩增产物和质粒pPIC9K进行消化，连接，获得包含突变体基因的表达质粒，转化至E.coli JM109感受态细胞。涂布于LB(含100μg/μL的Amp)平板。生长12h后，将转化子转移至LB液体培养基中培养，获得表达质粒。
将表达质粒经限制性内切酶SalI线性化后，电转化毕赤酵母GS115感受态细胞。将转化液涂布于MD平板上，30℃培养2d，构成表达脂肪酶突变体的毕赤酵母文库。
实施例2、利用DNA Shuffling方法构建表达脂肪酶突变体的毕赤酵母文库
利用DNA Shuffling的方法将易错PCR构建的脂肪酶突变体中的突变位点进行随机组合。DNA Shuffling的条件如下：
提取易错PCR方法构建的表达脂肪酶突变体的毕赤酵母文库的基因组，用DNase Ⅰ消化30min，将消化产物酚氯仿抽提除去蛋白质后溶解于30μL无菌水中。以该基因组为模板进行如下操作：
步骤一：PCR反应体系：
Taq(2.5U)                   0.5μL
5×buffer(Mg2+plus)         10μL
基因组                      0.5μL
dNTP(25mmol/L)              4μL
dd H2O                      34.5μL
PCR扩增条件：94℃3min；94℃1min，59℃1min，72℃2min，10个循环；72℃10min。
步骤二：在上述体系中加入引物F和R各1μL，PCR扩增条件：94℃3min；94℃1min，59℃1min，72℃2min，30个循环；72℃10min。
扩增产物经胶回收纯化试剂盒纯化后，用实施例1同样的方法，构建表达脂肪酶突变体的毕赤酵母文库。
实施例3、高酶活脂肪酶突变体的筛选
将保存于MD平板上的毕赤酵母文库影印复制到MM平板上，30℃培养2天，以表达亲本华根霉脂肪酶的毕赤酵母作为对照菌。
平板初筛：每12h向MM平皿盖上补加200μL甲醇诱导重组脂肪酶表达，诱导2-3天后，将平板置于65℃热处理60min，冷却到室温，向平板上均匀倾倒Fast-blue RR染色剂约15mL，2min内单克隆所显黑褐色深于对照的菌落为初筛目的菌株。
96孔板筛选方法：向1.8mL/孔(平底)的96孔板中加入300μL BMGY培养基，121℃灭菌20min。向其中接入初筛获得的菌株，以表达亲本华根霉脂肪酶的毕赤酵母作为对照菌，30℃250r/min振荡培养至OD600为2-6。离心，弃上清，用900μL BMMY培养基重悬菌体，每24h加入1％(V/V)甲醇诱导脂肪酶表达，诱导4天，离心收集上清，根据实施例4的方法测定脂肪酶突变体在65℃下的半衰期t50。
筛选易错PCR和DNA Shuffling构建的表达脂肪酶突变体的毕赤酵母文库，分别获得14株热稳定性明显提高的菌株，测定脂肪酶核苷酸序列(由上海生工生物工程技术服务有限公司测序)，利用三联体密码子推测脂肪酶的氨基酸序列，脂肪酶突变体的氨基酸取代及半衰期如表3所示。
表3脂肪酶突变体及其半衰期
Figure BSA00000230966100071
Figure BSA00000230966100081
实施例4脂肪酶突变体的t50测定
为测定脂肪酶的t50值，需要对酶进行分离纯化。
摇瓶发酵：接种量10％(V/V)，25mL BMGY培养基中，30℃振荡培养16～20h至OD600为2～6，离心收集菌体，用BMMY培养基稀释至OD600为1，每隔24h添加0.5％的甲醇诱导表达，培养3-4d后，收集发酵上清液。
分离纯化：将突变菌株的发酵上清液经过10KD超滤膜浓缩，SP-SepharoseFF强阳离子交换层析和Phenyl-Sepharose 6FF疏水色谱柱层析后得到纯化的突变脂肪酶活性组分。具体操作参考文献Yu Xiao-Wei et al.JMol CatalB：Enzym，2009，57：304-311。
t50的测定方法：
脂肪酶活力的测定方法为pNPP法(Pencreach G et al.Enzyme and MicrobialTechnol.1996，18：417-422.)。酶活的定义为pH8.0，40℃下反应每分钟产生1μmol对硝基苯酚的酶量为一个脂肪酶水解酶活国际单位。脂肪酶在65℃下半衰期的测定方法为：在65℃下处理酶液，在不同处理时间取样，pNPP法测定脂肪酶残余酶活百分比(％)。以残余酶活百分比的log值对时间T(min)作图，直线的斜率为失活常数kinact。由t50＝ln2/kinact得到脂肪酶在该温度下的t50。
实施例5定点突变组合脂肪酶突变体的基因突变位点
经过上述易错PCR和DNA Shuffling突变文库的构建，筛选获得如表3所示的脂肪酶突变体。为了考察其中某一个突变及各突变的组合对脂肪酶突变体活力的影响，对表3中的突变位点进行定点突变组合(定点突变可以利用市售的试剂盒进行)，将含有上述突变位点组合的基因与载体pPIC9K连接，获得表达质粒，后续毕赤酵母表达如实施例1所述。用实施例4的方法测定脂肪酶突变体在65℃下的t50。热稳定性获得提高的脂肪酶突变体如表4所示。
表4突变体脂肪酶及其t50提高的倍数
Figure BSA00000230966100082
最后，还需注意到的是，上述列举的仅是本发明的若干个实施例。显然，本发明不限于以上实施例。
Figure ISA00000230966300021
Figure ISA00000230966300031

Claims (2)

1.热稳定性提高的脂肪酶突变体，其特征在于由亲本华根霉(Rhizopuschinensis)CCTCC M 201021脂肪酶进行定向进化，通过易错PCR、DNAShuffling和定点突变，获得脂肪酶突变体，亲本华根霉氨基酸序列SEQ ID NO：1中在氨基酸取代位置发生突变，采用“原始氨基酸-位置-替换的氨基酸”来表示脂肪酶突变体中突变的氨基酸，所述脂肪酶突变体为：，
脂肪酶突变体氨基酸取代位置
突变体1       Ser234Phe
突变体2       Pro168Leu/Val329Ala
突变体3       Cys160Leu
突变体4       His317Pro/Met101Thr
突变体5       Ser151Asn/Leu180His
突变体6       Val261Gly/Ser373Cys
突变体7       Asp182Tyr/Ala230Phe
突变体8       Leu180His/Thr218Ser
突变体9       Asn366Asp/Leu180His/Val329Ala
突变体10      Ser234Phe/Leu180His/Thr218Ser
突变体11      Ser234Phe/Pro168His/Val329Ala/Cys160Leu/His317Pro/Met101Thr
突变体12      Leu180His/Thr218Ser/Val261Gly/Lys161Arg
突变体13      Glu107Gly/Ala129Ser/Glu363Arg/Lys161Arg/Val261Gly/Leu180His
突变体14      Lys161Arg/Leu180His/Thr218Ser/Met101Thr/Thr183Ala/
              Glu107Gly/Ser151Asn/Glu363Arg
突变体15      Glu107Gly/Ala129Ser/Ser151Asn/Lys161Arg/Leu180His/
              Ser234Phe/Glu363Arg/Val329Ala
突变体12-1    Ala230Phe/Leu180His/Thr218Ser/Val261Gly/Lys161Arg
突变体13-1    Glu107Gly/Ala129Ser/Ser151Asn/Lys219Asp/Leu180His/
              Glu363Arg/Ala230Phe
华根霉脂肪酶氨基酸突变体的氨基酸序列为SEQ ID NO：2，有22个突变氨基酸；
用于表达所述的脂肪酶突变体的表达载体为：pPIC9K，pPIC3.5K，pPICZα，pPICZ；
用于所述的表达载体转化的微生物宿主细胞为毕赤酵母。
2.根据权利要求1所述的脂肪酶突变体，其特征在于与亲本华根霉脂肪酶相比，所述脂肪酶突变体的热稳定性获得了提高，以在65℃下的半衰期t50来表示热稳定性的提高，所述脂肪酶突变体的半衰期以及提高的倍数如下：
脂肪酶突变体   氨基酸取代位置                    65℃t50(min)    65℃t50(min)
                                                                 提高倍数
突变体1        Ser234Phe                         35.7            2.18
突变体2        Pro168Leu/Val329Ala               36.1            2.19
突变体3        Cys160Leu                         17.0            1.03
突变体4        His317Pro/Met101Thr               19.1            1.16
突变体5        Ser151Asn/Leu180His               21.7            1.32
突变体6        Val261Gly/Ser373Cys               33.5            2.03
突变体7        Asp182Tyr/Ala230Phe               27.9            1.69
突变体8        Leu180His/Thr218Ser               25.6            1.55
突变体9        Asn366Asp/Leu180His/Val329Ala     55.4            3.36
突变体10       Ser234Phe/Leu180His/Thr218Ser     89.9            5.45
突变体11       Ser234Phe/Pro 168His/Val329Ala/   329.0           19.94
               Cys160Leu/His317Pro/Met101Thr
突变体12       Leu180His/Thr218Ser/Val261Gly/    410.3           24.87
               Lys161Arg
突变体13       Glu107Gly/Ala129Ser/Glu363Arg/    465             28.19
               Lys161Arg/Val261Gly/Leu180His
突变体14       Lys161Arg/Leu180His/Thr218Ser/    450             27.27
               Met101Thr/Thr183Ala/Glu107Gly/
               Ser151Asn/Glu363Arg
突变体15       Glu107Gly/Ala129Ser/Ser151Asn/    399             24.19
               Lys161Arg/Leu180His/Ser234Phe/
               Glu363Arg/Val329Ala
突变体12-1     Ala230Phe/Leu180His/Thr218Ser/    755             45.76
               Val261Gly/Lys161Arg
突变体13-1     Glu107Gly/Ala129Ser/Ser151Asn/    690             41.82
               Lys219Asp/Leu 180His/Glu363Arg/
               Ala230Phe
亲本华根霉脂肪酶在65℃下的半衰期t50为16.5min。
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