CN102120971B - 一种普鲁兰酶产生菌及其所产生的耐热普鲁兰酶及编码基因 - Google Patents
一种普鲁兰酶产生菌及其所产生的耐热普鲁兰酶及编码基因 Download PDFInfo
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Abstract
本发明描述了一个新分离的普鲁兰酶产生菌，16S rRNA(SEQ IDNo.1)结果分析表明该菌为厌氧芽孢杆菌属(Anoxybacillus sp.)，由该菌所分泌的一种蛋白质，其序列特征为序列表所示的氨基酸序列，编码该蛋白的核酸序列为序列表SEQ ID No.3所示的核苷酸序列，该蛋白质特异水解普鲁兰糖分子内的α-1，6-糖苷键，生成麦芽三糖，是一个I型普鲁兰酶(Pullulanase)，该酶的最适反应温度为60℃，最适pH 6.5，在60℃、pH 6.5条件下80小时，仍具有50％以上的活性。
Description
技术领域
本发明公开了一种普鲁兰酶产生菌及其所产生的耐热普鲁兰酶。
发明背景
自上世纪70年代起，酶制剂工业逐渐成为一个重要的产业，目前世界酶制剂总产值达100亿美元，我国的产值约为100亿人民币。随着应用领域的不断扩大和新酶种的开发，酶制剂市场迅速发展。淀粉水解酶作为第二大类酶制剂，在我国乃至世界上都拥有巨大的应用价值，尤其是近年来随着生物质能源开发的兴起，淀粉已成为生产乙醇的重要原料，淀粉水解相关的酶类显示出更加巨大的市场前景(Aranoff SL，Pearson DR，Okun DT，Lane CR，Williamson IA and Pinkert DA.Industrial biotechnology：Developmentand adoption by the U.S.Chemical and biofuel industries.U.S.International Trade Commission.Washington，DC.)
淀粉酶的研究已经有很长的历史，开发相对也比较完善，在淀粉加工中扮演了重要的角色，但是常用的淀粉酶难作用于淀粉中的α-1，6分支，限制了淀粉的水解效率[3]。普鲁兰酶(Pullulanase，EC.3.2.1.41)，又称去分枝酶，可以特异地水解普鲁兰糖、枝链淀粉等各种分枝多糖分子内的α-1，6-糖苷键，生成相应的麦芽三糖和直链多糖，与糖化酶协同使用，能够显著提高淀粉的水解程度和利用率。在淀粉加工中，普鲁兰酶与糖化酶合用，不仅降低糖化酶的用量一半以上，而且可提高淀粉的转化率，大大降低了生产成本(Deweer，Philippe，Amory，Antoine.Pullulanase producing microorganisms.(0ct.6，1998)US Patent，5817498)。与淀粉酶相比，国际上有关普鲁兰酶的研究较少，从1961年Bender和Wallenfels率先从Klebsiella pneumoniae发现普鲁兰酶(Hustedt，H.，K.H.Kroner，W.Stach & M.R.Kula，(1978)Procedure for the simultaneous large-scale isolation of pullulanase and1，4-alpha-glucan phosphorylase from Klebsiella pneumoniae involving liquid-liquid separations.Biotechnol Bioeng 20：1989-2005)，一直到1979年，普鲁兰酶的研究一直停留在产酶微生物的发现和酶学鉴定上(Mercier，C.，B.M.Frantz & W.J.Whelan，(1972)An improved purification of cell-boundpullulanase from Aerobacter aerogenes.Eur J Biochem 26：1-9；Nakamura，N.，K.Watanabe & K.Horikoshi，(1975)Purification and some properties of alkaline pullulanase from a strain ofBacillus no.202-1，an alkalophilic microorganism.Biochim Biophys Acta 397：188-193)。上世纪八十年代初，丹麦Novo公司分离到可分解普鲁兰多糖的嗜酸性芽抱杆菌(Bacillusacidopullulyticus)，其产生的普鲁兰酶具有耐热耐酸(60℃，pH 4.5)的性质，比较适合淀粉工业生产的需要(Stefanova，M.E.，R.Schwerdtfeger，G.Antranikian & R.Scandurra，(1999)Heat-stablepullulanase from Bacillus acidopullulyticus：characterization and refolding after guanidiniumchloride-induced unfolding.Extremophiles 3：147-152)。经过投入巨资开发研究，1983年在日本和欧洲市场同时商业化销售，商品名为Promozyme，是如今产量最大、应用最广的普鲁兰酶。1995年杰能科公司利用地衣芽孢杆菌异源表达Bacillus deramificans的普鲁兰酶，并申请了相关专利(Modderman，J.P.&H.H.Foley，(1995)Safety evaluation of pullulanase enzyme preparation derived from Bacilluslicheniformis containing the pullulanase gene from Bacillus deramificans.Regul ToxicolPharmacol 21：375-381)，其酶学特性与Novo公司相似，从而成为普鲁兰酶第二大生产商。由于淀粉工业需要更高的温度来降低底物粘度、提高反应速率和减少污染，相应地需要具有更高的热稳定性和在高温条件下的高活力的普鲁兰酶，因此近年来的研究几乎全部集中在耐热普鲁兰酶的发现和高效表达。2008年Gomes等人报道的来自Geobacillus thermoleovorans的普鲁兰酶由于在85℃半衰期达到3小时，成为淀粉工业关注的一个新热点(Zouari Ayadi，D.，M.Ben Ali，S.Jemli，S.Ben Mabrouk，M.Mezghani，E.Ben Messaoud & S.Bejar，(2008)Heterologous expression，secretion and characterization ofthe Geobacillus thermoleovorans US105 type I pullulanase.Appl Microbiol Biotechnol 78：473-481)。同时近年来也涌现了一些相关专利(Philippe D and Antoine A.Pullulanase.(Jun.1，1995).US patent 5721127；Brian S.M.and Jayarama K.S.Truncated forms of pullulanase.(Nov.11，2008).US Patent7449320)，但是总体上由于研究相对较少，研究菌种单一，获得的普鲁兰酶在热稳定性和酶活力上仍然不能满足淀粉糖化工艺的各项要求。
目前，我国在普鲁兰酶的研究上距离欧美国家有很大的差距，工业用普鲁兰酶完全依赖进口，定价权掌握在少数外国公司手中，近乎垄断的市场供应导致了国内普鲁兰酶高昂的销售价格，极大的限制了国内相关产业的发展。因此，开发并大量生产具有自主知识产权的耐热普鲁兰酶对我国淀粉工业以及相关产业的发展，摆脱普鲁兰酶对进口的依赖，具有重要的经济和战略意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种普鲁兰酶产生菌及其所产生的普鲁兰酶及其编码基因。
本发明所提供的普鲁兰酶产生菌是分离自云南腾冲地区的栖热菌，为厌氧芽孢杆菌属的一个新菌株(Anoxybacillus sp.LM 18-11，CGMCC No.4320)。
本发明所提供的普鲁兰酶是具有下述氨基酸序列特征之一的蛋白质：
1)具有序列表中的SEQ ID No.2所标示的氨基酸序列。
2)将上述氨基酸序列经过一个或几个氨基酸残基插入和/或缺失和/或取代等方式所产生的新序列。
序列表SEQ ID No.2所述的蛋白质由707氨基酸残基组成，位于96～688位的氨基酸残基序列为典型的I型普鲁兰酶结构域，其中108～204位的氨基酸序列为普鲁兰酶N-terminus结构域，263～572位的氨基酸序列为α-淀粉酶的催化结构域。
上述的蛋白质特异水解α-1，6-糖苷键，是一种I型普鲁兰酶。
本发明提供了编码上述普鲁兰酶的基因，是具有下列特征之一的核苷酸序列：
1)具有序列表SEQ ID No.3所示的DNA序列
2)可编码序列表中SEQ ID No.2所示的氨基酸序列的DNA序列
3)在高严谨条件下，可与序列表SEQ ID No.3所限定的DNA序列杂交，且编码上述氨基酸序列的核苷酸序列。
上述的高严谨条件可为在5×SSC，5×Denhardt’S溶液，0.05mg/ml鲑鱼精DNA，50％去离子甲酰胺溶液中，65℃下杂交，然后在室温2×SSC，0.1％SDS，在60℃下0.5×SSC，0.1％SDS的溶液中，洗膜15分钟，各两次。
本发明提供的普鲁兰酶可有效水解普鲁兰糖、枝链淀粉等分子内的α-1，6-糖苷键，在食品、医药、造纸、洗涤等领域有广阔的应用前景。
附图说明：
图1：质粒pET28a::apulA物理图谱
图2：普鲁兰糖水解产物液相色谱图
A：葡萄糖标准品液相色谱图，洗脱时间约为4.2分钟
B：麦芽糖标准品液相色谱图，洗脱时间约为5.8分钟
C：麦芽三糖标准品液相色谱图，洗脱时间约为8.1分钟
D：普鲁兰糖经ApulA水解后，产物的液相色谱图
图3：ApulA的最适反应温度
图4：ApulA的最适pH
具体实施办法
除非有特殊说明，本发明中的实验方法均为常规方法，具体可参见“Molecular Cloning：A Laboratory Manual”(Sambrook and Russell，ed.2001)。DNA片段回收采用琼脂糖凝胶回收试剂盒(天根生化科技(北京)有限公司)，按说明书方法操作；细菌基因组DNA提取试剂盒购自天根生化科技(北京)有限公司，按说明书方法操作；限制性内切酶购自宝生物工程(大连)有限公司；寡核苷酸引物由上海生工生物工程技术服务有限公司合成；DNA序列测定由北京六合华大基因科技股份有限公司完成。
25μl常规PCR反应体系为：0.1μg模板DNA、1.5mM MgCl2、20mM Tris-HCl(pH 8.4)、50mM KCl、0.2mM dNTP混合物、0.2μM正向引物和0.2μM反向引物，以及1U pfu高保真DNA聚合酶(北京全式金生物技术有限公司)。在PCR-热循环仪(Eppendorf，德国)中进行PCR循环反应。
1.普鲁兰酶产生菌的分离及鉴定：
样品采自中国云南腾冲地区轮马温泉下游的淤泥，采样点位于北纬25°25.357、东经98°16.442。实验中，称取1g土样加入100ml无菌水，经充分混匀静置30分钟后，取上清液1ml，做适当的梯度稀释，涂布于Thermus固体平板，置于恒温培养箱60℃培养48～72小时。待长出1mm左右大小的菌落后，再分别接种至普鲁兰酶筛选培养基，60℃培养48小时后，在平板表面滴加鲁格式碘液，挑选出其中一株有明显普鲁兰水解圈的菌株进行进一步的分析、鉴定。
利用细菌基因组DNA提取试剂盒提取该水解普鲁兰糖菌株的基因组DNA。合成16S rRNA扩增引物：5′-AGRGTTTGATCMTGGCTCAG-3′和5′-GGGCGGWGTGTACAAGGC-3′，以上述菌株基因组DNA为模板，按照下列方案进行PCR反应，94℃预变性4分钟后，再94℃变性30秒、55℃复性45秒、72℃延伸1分钟，反应30个循环，最后72℃10分钟。扩增得到一个约1.4kb的DNA片段，对该DNA片段进行序列测定(SEQIDNo.1)，序列分析的结果表明该序列为16S rRNA片段，经16S rRNA比对分析，结果显示该菌株为厌氧芽孢杆菌属菌株，将其命名为Anoxybacillus sp.LM18-11，该菌株现保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(登记号：CGMCC No.4320，保藏日期：2010年11月10日)。
上述实验中所用的培养基及试剂组成：
1)Thermus培养基(1000ml)：1g tryptone，1g yeast extract，100mg Nitrilotriacetic acid，60mg CaSO4·2H2O，100mg Mg2SO4·7H2O，8mg NaCl，103mg KNO3，689mg NaNO3，140mg Na2HPO4·2H2O，0.47mg FeCl3·6H2O，2.2mg MnSO4·H2O，0.5mg ZnSO4·7H2O，0.5mg H3BO3，25μg CuSO4·5H2O，25μg Na2MoO4·2H2O，46μg CoCl2·6H2O，1.5％agar，pH 7.8。
2)普鲁兰酶筛选培养基(1000ml)：5g tryptone，1g yeast extract，0.7g NaNO3，0.1g Na2HPO4，0.2g MgSO4·7H2O，0.1g CaCl2，5g pullulan，1.5％agar。
3)鲁格式碘液(300ml)：1g I2，2g KI
2.厌氧芽孢杆菌普鲁兰酶基因的克隆
通过在Genbank数据库中检索，获知在厌氧芽孢杆菌属中，菌株Anoxybacillus flavithermus WK1已完成了全基因组的测序(Genbank Accession No.CP000922)，基因组序列预测分析显示，其中编码一个I型的普鲁兰酶，该基因座位被命名为″Aflv_0438″。根据I型普鲁兰酶保守区进行分析，同时参照该序列，合成普鲁兰酶的保守序列引物：5’-AGAAGCGGTGGATCCTTAT-3’和5’-CATTTCCAACTCCTGTTCC-3’，以Anoxybacillus sp.LM 18-11基因组DNA为模板，按照下列方案进行PCR反应，94℃预变性4分钟后，再94℃变性30秒、50℃复性45秒、72℃延伸1分钟，反应30个循环；最后72℃10分钟，扩增得到0.6kb的DNA片段，并对插入片段进行了测序分析(SEQ ID No.3的673～1274bp)。以该片段为基础，采用基因组步移技术(Genome Walking Kit，宝生物工程(大连)有限公司)，最终扩增得到包含一个完整阅读框序列的DNA片段，并测序(SEQ ID No.3)，其中的140～2263bp为编码区，被命名为apulA。apulA编码一个由707个氨基酸残基组成的蛋白质(SEQ ID No.2)，被命名为ApulA。功能分析的结果预测ApulA为一个可能的I型普鲁兰酶，位于96～677位的氨基酸残基序列为典型的I型普鲁兰酶结构域，其中108～204位的氨基酸序列为普鲁兰酶N-terminus结构域，261～571位的氨基酸序列为α-淀粉酶的催化结构域。
3.ApulA的酶学功能及活性分析
3.1普鲁兰酶ApulA表达载体的构建
以Anoxybacillus sp.LM 18-11基因组DNA为模板，合成如下引物：5’-CCCCCAAAACAACAGTCGT和5’caactcgagACATTGAATTAATACCCACG，按照下列方案进行PCR反应，94℃预变性4分钟后，再94℃变性30秒、60℃复性45秒、72℃延伸2分钟，反应30个循环；最后72℃10分钟，扩增得到2.1kb的DNA片段，将该片段经Xho I()酶切回收后，插入到经过Nco I-Xho I(Nco I酶切端经Klenow平滑化处理)的大肠杆菌表达载体pET-28a(Novagen公司)上，该重组质粒被命名为pET-28a::apulA(图1)，apulA的3’端融合了6×His编码序列，表达产物ApulA的3’端会带有一个由6个组氨酸残基组成的His-Tag，可方便用于ApulA的纯化。
3.2ApulA的表达及酶活分析
将质粒pET-28a::apulA转化入大肠杆菌BL21(DE3)(Novagen公司)，获得ApulA表达菌株BL21/apulA。挑取BL21/apulA单克隆至LB液体培养基(卡那霉素50mg/L)，经37℃，220rpm过夜培养，按1％的接菌量加入到新鲜的LB培养基中，37℃，220rpm培养2～3小时至OD600达到0.6后，加入IPTG(异丙基-β-D-硫代半乳糖苷)至终浓度为0.8mmol/L，18℃，160rpm继续培养20小时后，4℃，4000rpm离心10分钟收集菌体，菌体用等体积的0.02mol/L Tris缓冲液(三羟甲基氨基甲烷，pH8.0)悬浮后，4℃，4000rpm离心10分钟收集，用0.05体积的0.02mol/L Tris缓冲液(pH8.0)悬浮，超声破碎后，12000g离心5分钟，上清液经0.22μm无菌滤膜过滤，于4℃保存，即获得含有ApulA的粗酶液。
ApulA的活性分析是以0.5％普鲁兰糖为底物，加入适量的经适当稀释的粗酶液，在不同的温度和pH条件下酶解20分钟，水解产物经安捷伦高效液相色谱系统鉴定，水解产物为麦芽三糖(图2)，证明ApulA为I型普鲁兰酶；同时水解产生的还原糖经DNS法测定，测定OD540光吸收；经计算分析确定ApulA的最适反应pH和最适反应温度，结果显示：ApulA的最适反应温度在55～60℃之间(表1，图3)，最适反应pH为6.5(表2，图4)，热稳定性分析的结果显示，在pH 6.5、60℃的条件下处理80小时，ApulA仍具有50％以上的活性(表3)。
表1ApulA的最适反应温度
| 温度(℃) | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 | 55 | 60 | 65 | 70 |
| 相对活性(％) | 36.6 | 45.2 | 61.2 | 77.7 | 89.1 | 97.2 | 100 | 48.2 | 4.3 |
表2ApulA的最适反应pH
| pH | 5.0 | 5.5 | 6.0 | 6.5 | 7.0 | 7.5 | 8.0 |
| 相对活性(％) | 5.4 | 26.7 | 77.7 | 100 | 68.3 | 11.5 | 4.1 |
表3ApulA的热稳定性
| 时间(hr) | 0 | 12 | 24 | 36 | 48 | 60 | 70 | 80 | 84 |
| 相对活性(％) | 100 | 93.1 | 89.9 | 78.7 | 76.5 | 70.9 | 68.8 | 55.4 | 47.7 |
上述高效液相色谱分析条件；色谱柱：4.6mm ID×150mm Zorbax Carbohydrate Analysis column；流动相：乙腈∶水＝70∶30(V/V)；流速：2ml/min；上样量：20μl；柱温：30℃；检测器：示差检测器。标准品分别为10mg/ml的葡萄糖、麦芽糖和麦芽三糖。
在上述酶促反应中，最适反应温度的测定选在0.04mol/L磷酸钠缓冲液(pH6.2)中进行，最适反应pH的测定在不同pH的0.04mol/L磷酸钠缓冲液、60℃的条件下进行。
DNS试剂的配制：称取酒石酸钾钠182.0g，溶于500mL蒸馏水中，加热(不超过50℃)，于热溶液中依次加入3，5-二硝基水杨酸6.3g，NaOH 21.0g，苯酚5.0g，无水亚硫酸钠5.0g，搅拌至溶解完全，冷却后用蒸馏水定容至1000mL，贮存于棕色瓶中，室温保存。
Claims (4)
1.一种普鲁兰酶，其氨基酸序列如序列表SEQ ID No.2所示。
2.一种编码权利要求1中所述氨基酸的核酸序列。
3.根据权利要求2所述的核酸序列，为序列表SEQ ID No.3所示的DNA序列。
4.权利要求1中所述的普鲁兰酶的应用，用于特异水解普鲁兰糖、枝链淀粉的α-1，6-糖苷键，是一种I型普鲁兰酶。
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