CN102864132A - 一种极耐热木糖苷酶及其编码基因和应用 - Google Patents
一种极耐热木糖苷酶及其编码基因和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种极耐热木糖苷酶及其编码基因和应用,该极耐热木糖苷酶的氨基酸序列如SEQNO:1所示。该木糖苷酶具有优良的耐热性能。在95℃、pH为6.0的条件下酶活性最高,比酶活达到117.6U/mg;该蛋白酶在温度为75-100℃、pH为5.0-7.5的范围内,均具有较高的酶活。该木糖苷酶的耐热性能极高,在85℃反应体系中,保温1h酶活性基本保持不变。上述特性使得本发明得到的木糖苷酶比现有木糖苷酶具有更大的优越性,适用于80℃以上高温、偏中性的pH条件下木寡糖的降解,具有潜在的工业应用价值。
Description
技术领域
本发明属于基因工程技术及纤维原料水解领域,具体涉及一种极耐热木糖苷酶及其编码基因和应用。
背景技术
木聚糖是植物细胞壁半纤维素的土要成分,是除纤维素之外自然界中最为丰富的可再生资源之一。木糖就存在于半纤维素多缩戊糖中, 是亟待开发的重要可再生资源。如果将半纤维素生物降解为木糖和少量其它单糖, 可以用作基本碳源生产各种发酵产品、工业酒精及糠醛制备等。同时, 木糖的衍生物木糖醇还可作为食品添加剂,如用于口香糖、糖果及于尿病患者的甜味剂等。
木糖苷酶是木聚糖降解酶系中的较为关键的多糖水解酶,通过随机切割木寡糖的β-1,4-糖苷键,将木寡糖降解为木糖。由于木糖苷酶可以将寡糖降解为木糖,因此可作为一种高效的工业酶制剂用于木糖及木糖衍生物的生产,因此具有潜在的应用价值。
发明内容
发明目的:针对现有技术中存在的不足,本发明的目的是提供一种极耐热木糖苷酶,以使其满足使用要求。本发明的另一目的是提供一种编码上述极耐热木糖苷酶的核苷酸序列。本发明还有一目的是提供上述一种极耐热木糖苷酶的应用。
技术方案:为了实现上述发明目的,本发明采用的技术方案如下:
一种极耐热木糖苷酶,氨基酸序列如SEQ NO:1所示。
一种极耐热木糖苷酶,氨基酸序列为权利要求1所述的SEQ NO:1序列中的氨基酸经过一个或多个氨基酸残基的取代、缺失及添加形成的具有木糖苷酶活性的衍生蛋白质。
一种编码上述的极耐热木糖苷酶的基因, DNA序列如SEQ NO:2所示。
一种可表达上述的极耐热木糖苷酶的重组体系,在所述的重组体系上克隆有如SEQ NO:2所示的DNA序列;所述的重组体系包括重组质粒和重组菌。
一种扩增上述的编码极耐热木糖苷酶的基因的方法,所使用的引物对为:
Xylo-1:5’- GGAATTCCATATGGATCTTTACAAGAATCCAAATGTAC-3’;
Xylo-2:5’-CCGCTCGAGCTCGATCTTTGTATTTGTGAAGAAAAC-3’。
上述的极耐热木糖苷酶在酶解木寡糖中的应用。酶解反应温度为75-100℃,pH5.0-7.5。所述的木寡糖来源于纤维原料中的半纤维素,包括木二糖、木三糖和木四糖。
上述的重组体系在酶解木寡糖中的应用。
上述的极耐热木糖苷酶在酶解玉米秸秆的木寡糖中的应用。
有益效果:与现有技术相比,本发明所提供的木糖苷酶具有优良的耐热性能。在95℃、pH为6.0的条件下酶活性最高,比酶活达到117.6U/mg;该蛋白酶在温度为75-100℃、pH为5.0-7.5的范围内,均具有较高的酶活。该木糖苷酶的耐热性能极高,在85℃反应体系中,保温1h 酶活性基本保持不变。上述特性使得本发明得到的木糖苷酶比现有木糖苷酶具有更大的优越性,适用于80℃以上高温、偏中性的pH条件下木寡糖的降解,具有潜在的工业应用价值。
附图说明
图1是木糖苷酶Tth xylo的SDS-PAGE蛋白电泳图;
图2是Tth xylo的最适温度结果图;
图3是Tth xylo的最适pH结果图;
图4是Tth xylo的热稳定性结果图;
图5是Tth xylo降解玉米秸秆半纤维素TLC图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
以下实施例中所使用的材料、试剂等,若无特殊说明,均可从商业途径获得。
实施例1 嗜热陆地热泉高温神袍菌基因组DNA的提取
采用嗜热陆地热泉高温神袍菌Thermotoga thermarum DSM5069(购自德国微生物菌种保藏中心)新鲜菌体10g,悬于5mL 50mM Tris缓冲溶液中(pH8.0),混匀后在37℃放置20min,然后加入2mL 10%SDS,55℃放置5min,用等体积的酚-氯仿(24:1)抽提一次,取上清液加入2倍体积的无水乙醇,于-20℃放置30min,4℃ 13000rpm离心20min,收集沉淀。沉淀溶于0.5mL TE缓冲液(pH8.0,10mM Tris,1mM EDTA),加入10mg/mL RNase 3μL,37℃保温1h,用等体积的酚-氯仿(24:1)抽提一次,取上清加入2倍体积的无水乙醇,于-20℃放置30min,4℃ 13000rpm离心20min,收集沉淀,真空冷冻干燥,用0.5mL超纯水溶解。
实施例2 木糖苷酶基因Tth xylo的制备
可采用如下方法制备Tth xylo基因,也可以采用人工合成的方式得到。
以Thermotoga thermarum DSM5069的总DNA(实施例1制备)为模版,用下述引物对进行PCR扩增:
Xylo-1:5’- GGAATTCCATATGGATCTTTACAAGAATCCAAATGTAC-3’;
Xylo-2:5’-CCGCTCGAGCTCGATCTTTGTATTTGTGAAGAAAAC-3’;
引物合成时,Tth-1引入Nde I酶切位点,Tth-2引入Xho I酶切位点。
PCR反应体系:1μL T.thermarum 基因组DNA,1μL Tth-1,1μL Tth-2,25μL Premix ExTaq,22μL超纯水。
PCR反应条件:94℃变性5min;94℃变性30sec,52℃退火30sec,72℃延伸3min,30Cycles;72℃延伸10min;4℃保温。
PCR产物用1%琼脂糖凝胶电泳检测产量和特异性,并用PCR产物回收试剂盒进行纯化(BIOMIGA,上海)。
实施例3 重组克隆、表达载体pET-20b-Tth xylo的构建与验证
将纯化过的PCR产物(实施例2制备)、pET-20b(Novagen)用分别Nde I和Xho I双酶切,琼脂糖电泳回收酶切酶切PCR及载体大片段。割胶回收后的目的片段与载体,经浓缩加入8μL无菌水重悬,加入1μL 10×Ligase Buffer和1μL Ligase,于16℃连接过夜。用连接反应产物转化大肠杆菌pET-20b,然后涂于含100μg/mL Amp(氨苄青霉素)的培养皿,37℃培养10-12h。
从转化平板上挑取多个单菌落,采用BIOMIGA的质粒小量提取试剂盒提取质粒。对获得的质粒双酶切验证并对获得的重组质粒进行测序。测序结果显示,pET-20b载体中插入了所克隆的目的片段(核苷酸长度为2322 bp),进而得到重组克隆、表达载体pET-20b-Tth xylo,Tth xylo的核苷酸如SEQ NO:2所示,其编码的氨基酸序列如SEQ NO:1所示,将该蛋白命名为Tth xylo。
实施例 4 重组木糖苷酶Tth xylo的表达与纯化
将重组克隆、表达载体pET-20b-Tth xylo(实施例3制备)电转至宿主菌E. coli BL21(DE3)(Novagen),获得含有重组质粒的重组菌。将单菌落的重组菌接种于5mL含有100μg/ml氨苄青霉素的Luria-Bertani broth (LB)培养基,在37℃温度下,200rpm震荡培养8-12h。将上述4mL菌液接种于含400mL培养基的1000 mL摇瓶中,37℃温度下,200rpm震荡培养,当吸光度达到0.6-0.8时,加人200μL的1M IPTG,并在30℃温度下,120rpm诱导表达10-12h。用高速冷冻离心机将培养液在4℃下一下以13000rpm离心15min,收集菌体。用50mL超纯水洗涤并在4℃下一下以13000rpm离心15min,回收菌体,接着用20mL 1×Binding Buffer 重悬(0.5M NaCl,20mM Tris-HCl,5mM imidazole,pH7.9),在冰水浴中,用超声波破碎机破碎细菌细胞,并在4℃下13000rpm 离心15min,得到含木糖苷酶Tth xylo的粗提液。
粗提液先经70℃加热处理30min的热处理,除去不耐热的杂蛋白,再用Ni-NTA亲和层析柱进行纯化(方法见His-Bind Kits,Novagen)。纯化酶纯度的鉴定和分子量的测定采用SDS-PAGE方法进行,结果见图1,1即为化过后的Tth xylo蛋白,分子量约为85 kDa,与理论值相近。
实施例5 重组木糖苷酶Tth xylo的酶学性质分析
酶活定义为:1 min内催化4-硝基苯基-β-D-吡喃木糖苷(pNPX)产生1μmol对硝基苯酚(pNP)所需的酶量。
(1)最适温度
用pH值为6.0的0.1M咪唑-邻笨二甲酸氢钾缓冲液稀释实施4制得的纯酶液,用稀释后的酶液进行酶活测定。酶活测定反应体系为200μL,20mM的4-硝基苯基-β-D-吡喃木糖苷(pNPX)10μL,180μL 0.1M咪唑-邻笨二甲酸氢钾缓冲液和10μL稀释酶液组成;反应体系的pH为6.0。将反应体系在60-100℃温育20min后,加入600μL 1M Na2CO3试剂终止反应,测定410nm的吸光值。实验设3次重复,取平均值作图,结果如图2所示,研究结果表明在95℃时,木糖苷酶具有最高的酶活性,为117.6 U/mg;将此温度下的酶活反应体系的吸光值最为相对活性100%,其它温度下酶活反应体系的吸光值与此最高酶活性体系的吸光值作为相对活性。其中,在温度75-100℃的反应体系中酶活性较高。
(2)最适pH
酶活测定反应体系为200μL,20mM的4-硝基苯基-β-D-吡喃木糖苷(pNPX)10μL,180μL pH4.0-pH8.5 的0.1M咪唑-邻笨二甲酸氢钾缓冲液和10μL稀释酶液(同上)组成。将反应体系在95℃温育20 min后,加入600μL 1M Na2CO3试剂终止反应,测定410nm的吸光值,实验设3次重复实验,取平均值。结果如图3所示,研究结果表明,在pH为6.0时,木糖苷酶具有最高的酶活性,为117.6 U/mg;将此pH值下的酶活反应体系的作为相对活性100%,其它pH值下酶活反应体系的吸光值与此最高酶活性体系的吸光值的比值作为相对活性。在pH5.0-7.5的条件下,酶活较高。
(3)重组酶热稳定性
用pH值为6.0的0.1M咪唑-邻笨二甲酸氢钾缓冲液稀释实施例4制得的纯酶液,用稀释后的酶液进行酶活测定。将稀释酶液在75℃、80℃、85℃、90℃和95℃分别水浴30 min、60 min、90 min和120 min,测定酶的残存酶活。酶活测定反应体系中pH为6.0,测定温度为95℃。实验设3次重复,取平均值。结果如图4所示,研究结果显示,85℃处理1 h未见酶活下降,可见该木聚糖在85℃条件下热稳定非常好,该酶在75℃温育2 h酶活未见下降。
实施例6 重组木糖苷酶Tth xylo的应用研究
重组木糖苷酶Tth xylo对木寡糖的降解研究,具体步骤如下所述:
(1)用pH6.0的上述缓冲液配制1%木二糖、木三糖及木四糖各1mL,混匀后形成1%的混合液。吸取100μL混合液,加入上述的缓冲溶液90μL与含10μL的纯化酶于100μL的反应体系中,75℃水浴震荡0.5h、1h、2h和3h。
(2)分别收集上述1h、2h、3h和4h水解液于-20℃的冰箱中保存。
(3)配置上述水解液适宜的TLC的展层剂和显色剂,展层剂中正丁醇:乙酸:水=2:1:1,显色剂为将1g的3,5-二羟基甲苯加入到100mL的硫酸/甲醇溶液(2:8)中配制而成。
(4)用毛细吸管蘸取少量的1%的木1-木4糖的混合液及上述样品,分别点至宽度为10cm、长度为20cm的玻璃硅胶板上,点完样后用吹分机吹干并将硅胶板放置于上述展层剂的层析缸中。
(5)3h后取出玻璃板先风干,再放置于100℃的干燥箱中烘干,在通风橱中用喷壶将硅胶板均匀喷洒,接着在再放置于100℃的干燥箱中烘干。
结果如图5所示,M为木1-木4的标准样品,1、2、3和4分别为0.5h、1h、2h和3h的水解液。研究结果表明,重组木糖苷酶Tth xylo可以快速有效地将木二糖、木三糖及木四糖降解为木糖。因此,此木糖苷酶Tth xylo适用于玉米秸秆等原料的木糖生产。
SEQUENCE LISTING
<110> 南京林业大学
<120> 一种极耐热木糖苷酶及其编码基因和应用
<130> 100
<160> 4
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 774
<212> PRT
<213> Thermotoga thermarum
<400> 1
Met Asp Leu Tyr Lys Asn Pro Asn Val Pro Ala Lys Val Arg Ala Lys
1 5 10 15
Asp Leu Leu Ser Lys Met Thr Leu Glu Glu Lys Ile Ala Gln Leu Gly
20 25 30
Ser Val Trp Ser Tyr Glu Leu Leu Thr Glu Asp Gly Lys Phe Ser Val
35 40 45
Glu Lys Ala Lys Glu Ile Leu Lys His Gly Ile Gly Gln Ile Thr Arg
50 55 60
Pro Gly Gly Ala Thr Asn Phe Glu Pro Pro Glu Val Ala Lys Leu Val
65 70 75 80
Asn Glu Ile Gln Lys Phe Leu Val Glu Asn Thr Arg Leu Gly Ile Pro
85 90 95
Ala Ile Met His Glu Glu Cys Leu Ala Gly Tyr Met Gly Leu Gly Ala
100 105 110
Thr Ile Phe Pro Gln Pro Ile Gly Met Ala Ser Thr Trp Asp Pro Glu
115 120 125
Leu Val Glu Lys Ile Thr Ser Ala Ile Arg Glu Asp Leu Arg Lys Leu
130 135 140
Gly Ile Thr Gln Gly Leu Ala Pro Val Leu Asp Val Ala Arg Asp Pro
145 150 155 160
Arg Trp Gly Arg Thr Glu Glu Thr Phe Gly Glu Ser Pro Tyr Leu Val
165 170 175
Ala Lys Met Gly Val Ala Tyr Val Lys Gly Leu Gln Gly Ser Asp Ile
180 185 190
Thr Lys Gly Val Val Ala Thr Gly Lys His Phe Ala Gly Tyr Ser Ala
195 200 205
Ser Glu Gly Gly Lys Asn Trp Ala Pro Thr Asn Ile Pro Pro Arg Glu
210 215 220
Leu Arg Glu Val Phe Leu Tyr Pro Phe Glu Ala Ala Val Lys Glu Ala
225 230 235 240
Gly Leu Leu Ser Ile Met Asn Ser Tyr Ser Glu Ile Asp Gly Ile Pro
245 250 255
Cys Ala Ser Asn Arg Glu Leu Leu Thr Asp Ile Leu Arg Arg Thr Trp
260 265 270
Gly Phe Glu Gly Ile Val Val Ser Asp Tyr Phe Ala Val Asp Met Leu
275 280 285
Ala Ala Tyr His Arg Met Ala Lys Asn Lys Ala Glu Ala Ala Lys Tyr
290 295 300
Ala Leu Glu Ala Gly Ile Asp Ile Glu Leu Pro Lys Thr Asp Cys Tyr
305 310 315 320
Leu His Leu Lys Ser Leu Val Glu Asn Gly Ile Ile Ser Glu Lys Leu
325 330 335
Leu Asp Glu Ala Val Leu Arg Val Leu Thr Leu Lys Phe Leu Leu Gly
340 345 350
Leu Phe Glu Asn Pro Tyr Ala Glu Gly Gly Ser Leu Asn Asp His Asn
355 360 365
Asp Ile Ala Leu Glu Ala Ser Arg Lys Ser Ile Val Leu Leu Lys Asn
370 375 380
Asn Gly Ile Leu Pro Leu Lys Asn Asp Val Lys Ile Ala Leu Val Gly
385 390 395 400
Pro Thr Ala Asn Asp Val Arg Asn Leu Leu Gly Asp Tyr Ser Tyr Leu
405 410 415
Val His Ile Lys Thr Leu Leu Glu Asn Val Asn Ala Thr Thr Phe Asn
420 425 430
Ala Pro Lys Phe Asn Leu Lys Lys Val Glu Glu Leu Val Glu Ala His
435 440 445
Leu Lys Lys Ile Pro Ser Ile Leu Ala Glu Phe Ala Lys Arg Ala Lys
450 455 460
Glu Ile Tyr Tyr Ala Lys Gly Cys Asp Ile Thr Asp Pro Ser Arg Glu
465 470 475 480
Gly Phe Ala Glu Ala Leu Glu Ala Ala Lys Lys Ala Asp Val Val Val
485 490 495
Ala Val Val Gly Asp Arg Ser Gly Leu Thr Ile Glu Cys Thr Ser Gly
500 505 510
Glu Ser Arg Asp Met Ala Asn Leu Lys Leu Pro Gly Val Gln Glu Glu
515 520 525
Phe Ile Leu Glu Leu Thr Lys Val Gly Lys Pro Ile Val Val Val Leu
530 535 540
Val Thr Gly Arg Pro Tyr Ser Leu Lys Ala Phe Val Asn Lys Val Asn
545 550 555 560
Ala Ile Val Gln Leu Trp Leu Pro Gly Glu Thr Gly Ala Gln Ala Leu
565 570 575
Ala Glu Val Ile Phe Gly Gln Val Asn Pro Ser Gly Lys Leu Pro Ile
580 585 590
Ser Phe Pro Ala Ser Ala Gly Gln Ile Pro Val Phe His Tyr Val Lys
595 600 605
Pro Ser Gly Gly Arg Ser Cys Trp His Gly Asn Tyr Val Asp Glu Asp
610 615 620
Val Lys Pro Leu Phe Pro Phe Gly His Gly Leu Ser Tyr Thr Thr Phe
625 630 635 640
Ser Tyr Thr Asn Leu Arg Ile Glu Gln Gln Glu Ile Pro Ile Ala Gly
645 650 655
Ser Val Lys Leu Lys Val Asp Val Gln Asn Thr Gly Glu Ile Tyr Gly
660 665 670
Glu Glu Val Val Gln Leu Tyr Ile Ser Arg Glu His Ala Ser Val Thr
675 680 685
Arg Pro Val Lys Glu Leu Lys Gly Phe Ala Arg Val Lys Leu Gln Pro
690 695 700
Lys Glu Thr Lys Thr Val Val Phe Glu Ile His Thr Asp Val Leu Ala
705 710 715 720
Tyr Tyr Asp Arg Asp Met Lys Leu Val Val Glu Pro Gly Glu Tyr Lys
725 730 735
Val Leu Ile Gly Ser Ser Ala Glu Asp Ile Arg Cys Gln Gly Asn Phe
740 745 750
Lys Val Val Gly Glu Lys Arg Leu Val Gln Asp Asn Arg Val Phe Phe
755 760 765
Thr Asn Thr Lys Ile Glu
770
<210> 2
<211> 2322
<212> DNA
<213> Thermotoga thermarum
<400> 2
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<210> 3
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<212> DNA
<213> Artificial
<220>
<223> Xylo-1引物序列
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<211> 36
<212> DNA
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<220>
<223> Xylo-2引物序列
<400> 4
ccgctcgagc tcgatctttg tatttgtgaa gaaaac 36
Claims (10)
1.一种极耐热木糖苷酶,其特征在于:氨基酸序列如SEQ NO:1所示。
2.一种极耐热木糖苷酶,其特征在于:氨基酸序列为权利要求1所述的SEQ NO:1序列中的氨基酸经过一个或多个氨基酸残基的取代、缺失及添加形成的具有木糖苷酶活性的衍生蛋白质。
3.一种编码权利要求1所述的极耐热木糖苷酶的基因,其特征在于:DNA序列如SEQ NO:2所示。
4.一种可表达权利要求1所述的极耐热木糖苷酶的重组体系,其特征在于:在所述的重组体系上克隆有如SEQ NO:2所示的DNA序列;所述的重组体系包括重组质粒和重组菌。
5.一种扩增权利要求3所述的编码极耐热木糖苷酶的基因的方法,其特征在于:所使用的引物对为:
Xylo-1:5’- GGAATTCCATATGGATCTTTACAAGAATCCAAATGTAC-3’;
Xylo-2:5’-CCGCTCGAGCTCGATCTTTGTATTTGTGAAGAAAAC-3’。
6.权利要求1或2所述的极耐热木糖苷酶在酶解木寡糖中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用,其特征在于:酶解反应温度为75-100℃,pH5.0-7.5。
8.根据权利要求6所述的应用,其特征在于:所述的木寡糖来源于纤维原料中的半纤维素,包括木二糖、木三糖和木四糖。
9.权利要求4所述的重组体系在酶解木寡糖中的应用。
10.权利要求1所述的极耐热木糖苷酶在酶解玉米秸秆的木寡糖中的应用。
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