CN103468660B - 高活性中性植酸酶突变体及其基因和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通过基因工程技术改造得到的一种突变的中性植酸酶及其基因和用途，该突变的中性植酸酶氨基酸序列为SEQ？ID？NO.2，是以野生型淀粉液化芽孢杆菌DSM1061phyC基因为基础，利用PCR技术对其基因进行点突变获得的。本发明公开了改造的中性植酸酶及其相应的DNA序列，还公开了所述中性植酸酶的生产方法。本发明所述的突变中性植酸酶与野生酶相比，在40～75℃范围内，活性均有提高，尤其是在50～60℃下活性提高约1倍。在pH7.5条件下，突变酶的活性约为野生酶的3.0倍。该中性植酸酶可作为一种饲料添加剂，能有效提高动物对饲料中植酸磷的利用率。本发明所提供的突变中性植酸酶基因可用于构建表达该酶的重组菌。
Description
技术领域
本发明属于酶的基因工程和酶生化工程领域。本发明涉及活性提高的突变中性植酸酶，本发明还涉及编码该突变中性植酸酶的基因及用途。
背景技术
植酸酶(phytase)即肌醇六磷酸酶(myoinositolhexaphosphatephosphohydrotase)，是催化植酸及植酸盐水解产生肌醇和磷酸(或磷酸盐)的酶的总称。植酸酶能够将植酸及其盐类水解成肌醇和无机磷，而肌醇和无机磷作为动物的营养元素，对提高动物生产性能有重要意义。
目前，植酸酶主要以添加剂形式用于饲料加工工业和食品加工工业，以提高植物性饲料(或食品)中磷元素的利用率，减少动物粪便中排出的磷对环境特别是水环境的污染，使植酸的抗营养性作用得到解除，并且提高机体对蛋白及多种微量元素的利用率。
来源于芽孢杆菌的植酸酶属于中性植酸酶，其可在pH为中性的肠道中起作用，有效弥补了酸性植酸酶的不足，拓宽了植酸酶的应用范围。当前，国内外关于中性植酸酶的研究主要集中于产酶菌筛选和基因工程菌的构建方面。姚斌等从枯草芽孢杆菌Bacillussubtilis中克隆了中性植酸酶基因，并在大肠杆菌中进行了表达，表达产物具有生物学功能但比活较原始酶下降了30％(姚斌，袁铁铮，王元火，等.来源于Bacillussubtilis的中性植酸酶基因的克隆及在大肠杆菌的表达.生物工程学报，2001，17(1)：11-15)。陈艳等将来源于淀粉液化芽孢杆菌的植酸酶在大肠杆菌中进行了表达，结果发现基因工程菌的植酸酶活性仅为出发菌株的1.27倍，表达重组酶活性偏低(陈艳，孙健义，赵学新，等.Bacillusamyloliquefaciens中性植酸酶基因的原核表达及蛋白纯化和性质.食品与生物技术学报，2005，24(2)：60-65)。近年来，Rao等在大肠杆菌中对芽孢杆菌中性植酸酶进行了高效表达，结果表明其最适pH为7.0，最适温度55℃，最大活性16U/mg(RaoDE，RaoKV，ReddyVD.CloningandexpressionofBacillusphytasegene(phy)inEscherichiacoliandrecoveryofactiveenzymefromtheinclusionbodies.JoumalofAppliedMicrobiology.2008，105(3)：1128-1137)。Tung等运用定点突变方法对Bacilluslicheniformis植酸酶的热稳定性进行了改善，取得了较好的效果。定点突变结果表明，突变酶G117A/G266A与野生酶具有类似的米氏常数Km，催化效率kcat和最适的Ca2+浓度，但是热稳定性有大幅上升(TungET，MaHW，ChengC，etal.Stabilizationofbeta-propellerphytasebyintroducingXaa-->ProandGly-->Alasubstitutionsatconsensuspositions.ProteinPept.Lett.，2008，15，297-299)。
目前，中性植酸酶在应用过程中还存在一些问题，其中较为突出的就是该酶在高温制粒杀菌工艺中活力损失较大，因此获得高活性的中性植酸酶是近年来的研究热点和难点。利用现代基因工程方法对现有的优良菌株进行改造，是获得高活性突变株的便捷途径。定点突变是蛋白质工程广泛采用的技术，它是根据酶的结构、功能和作用机理等信息，在基因水平进行核苷酸突变，以达到改造酶分子中特定氨基酸残基的目的，使酶的性质最佳化。利用生物信息工具进行蛋白质结构分析与设计，并结合定点突变技术提高淀粉液化芽孢杆菌BacillusamyloliquefaciensDSM1061中性植酸酶的活性，为其应用推广奠定坚实的基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种突变的中性植酸酶，该突变的中性植酸酶与野生酶相比，在40～75℃范围内，活性均有提高，尤其是在50～60℃下，活性比野生酶提高约1倍。在pH7.5条件下，突变酶的活性约为野生酶的3.0倍。
本发明的再一个目的是提供编码上述突变中性植酸酶的基因(核苷酸序列)，该突变的中性植酸酶基因可用于构建重组菌。
本发明的另一个目的是提供上述突变中性植酸酶的生产方法。
上述突变中性植酸酶核苷酸序列与野生酶核苷酸序列(GenBank登录号为HM747163)相比，第251位的编码天冬氨酸的密码子突变为编码谷氨酸的密码子。
本发明的目的可以通过以下措施达到：
编码权利要求1所述的突变中性植酸酶的核苷酸序列(即对应野生型中性植酸酶氨基酸序列第251位的天冬氨酸密码子突变为表达谷氨酸的密码子)，如SEQIDNO.1所述。
一种突变的中性植酸酶，其氨基酸序列为SEQIDNO.2所示。该序列表示原中性植酸酶氨基酸序列(即野生型淀粉液化芽孢杆菌BacillusamyloliquefaciensDSM1061phyC基因所表达的氨基酸序列)的251位的天冬氨酸残基被谷氨酸残基所取代。
含有上述核苷酸序列的表达载体。如质粒等。
用上述表达载体转化的大肠杆菌。
用IPTG诱导大肠杆菌表达目的蛋白，表达产物利用Ni-NTA琼脂糖凝胶进行亲和纯化。
所述的突变中性植酸酶在饲料生产中的应用。
本发明的有益效果：
本发明所提供的中性植酸酶与野生酶相比，在较宽的温度范围内活性显著提高。本发明还提供了该突变中性植酸酶的基因序列，这些序列可用于构建表达高活性中性植酸酶的重组菌。本发明还提供了所述的突变中性植酸酶的生产方法。本发明涉及的中性植酸酶可以作为一种饲料添加剂，能有效提高动物对饲料中磷元素的利用率。
附图说明
图1不同温度下野生酶及突变酶活性比较。
图2不同pH下野生酶及突变酶活性比较。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明做进一步的阐述，但不限制本发明。
实施例1：淀粉液化芽孢杆菌BacillusamyloliquefaciensDSM1061phyC基因的获得及第251位氨基酸残基的突变
淀粉液化芽孢杆菌BacillusamyloliquefaciensDSM1061从德国DSMZ购得。
培养基的制备：蛋白胨10g/L，酵母粉5g/L，NaCl10g/L，121℃，高压蒸汽灭菌15min。
菌体的收集：将BacillusamyloliquefaciensDSM106l接种到上述培养基中，置37℃摇床，180r·min-1培养过夜，8000r·min-1，4℃，离心15min，收集菌体。
目的基因的提取：采用改良的的酚-氯仿抽提法获取BacillusamyloliquefaciensDSM1061的基因组，以该基因组为模版，使用如下PCR引物(由生工生物工程(上海)公司合成)：
phyC-F：5’-GCGGATCCATGAATCATTCAAAAACAC-3’(SEQIDNO.3)
phyC-R：5’-GTCAAGCTTTTATTTTCCGCTTCTGTC-3’(SEQIDNO.4)
运用BiobasicINC公司的PCR试剂盒进行PCR反应扩增目的基因。PCR循环参数：94℃，1min；56℃，1min；72℃，1min；共进行30个循环。
BacillusamyloliquefaciensDSM1061phyC基因的也可以通过基因的全序列合成获得，如委托生工生物工程(上海)有限公司按照BacillusamyloliquefaciensDSM1061phyC基因序列(GenBank登录号为HM747163)进行合成，合成的基因同样可用于重组质粒的构建。
采用生工生物工程(上海)有限公司的胶回收试剂盒将目的基因片段进行纯化。将纯化的基因或者全合成的基因与pET22b(+)(美国Novagen公司)进行常规的连接反应，将连接转化大肠杆菌DH5a进行质粒扩增。运用质粒提取试剂盒(BiobasicINC公司)，提取质粒。运用上述的PCR引物进行扩增鉴定确定插入的phyC基因，得到阳性重组pET-phyC质粒。
根据Stratagene公司的Quik-Change多重定点突变试剂盒的要求，设计如下引物5’-CAGATCCAGACCATCCGATT-3’，以pET-phyC质粒为模板进行PCR，将Asp251突变为Glu251，用限制性内切酶消化原始质粒模板，将PCR产物转化高效率的感受细胞，培养后提取质粒进行测序，即可得到含有突变基因(SEQIDNO.1)的质粒pET-phyC-D251E。
实施例2：表达重组质粒的构建、筛选和鉴定
为构建植酸酶基因的高效表达质粒，设计引物删除了该酶N端的26位氨基酸残基构成的信号肽部分。引物设计采用PrimerPremier5.0软件，在引物中分别引入限制性内切酶BamHI和HindIII(加粗下划线部分)，由生工生物工程(上海)有限公司合成。引物如下：
phvC-F：5’-GCGGATCCGAAGCATAAGCTGTCAGA-3’(SFQIDNO.5)
phvC-R：5’-GTCAAGCTTTTTTCCGCTTCTGTC-3’(SEQIDNO.6)
以获得的phyC全长基因为模板PCR的反应参数为：94℃，1min；56℃，1min；72℃，1min；共进行30个循环。扩增产物采用0.8％的琼脂糖凝胶电泳检测。
将PCR产物和pET22b(+)载体分别用BamHI和HindIII消化并连接，构建质粒pET22b-phyC-D251E。连接液转化E.coliDH5a细胞，对阳性克隆进行PCR鉴定，提取质粒并送生工生物工程(上海)有限公司进行测序。
实施例3：中性植酸酶的诱导表达
将经鉴定后的pET22b-phyC-D251E重组质粒转化到表达宿主E.coliBL21(DE3)中，同时将空载体pET22b(+)转入相同宿主作为对照。各取100μL转化液分别涂布于含Amp(100μg/mL)的LB平板，置于37℃培养箱中培养至长成大小合适的菌落。挑取含有重组质粒和空质粒的转化子分别接种至含100μg/mLAmp的LB液体培养液，置摇床37℃，180r/min振荡培养过夜。按1％接种量(V/V)转接至新鲜LB培养液中，37℃，180r/min振荡培养至对数生长期(OD600≈0.6-0.8)分别加入诱导剂IPTG至终浓度1.0mmol/L，置20℃摇床，180r/min诱导表达6h。
实施例4：中性植酸酶的纯化
取适量按实施例3方法进行诱导表达的重组菌培养液，8000r/min离心15min收集菌体，用无菌水洗涤两次后，菌体重悬于0.5mL(pH7.5，50mmol/L)Tris-HCl缓冲液中，冰浴中超声破碎细胞。将超声破碎后的样品12000r/min，4℃离心10min取上清即为粗酶液。
由于设计的pET22b-phyC-D251E表达质粒的表达产物中性植酸酶上带有6个连续的组氨酸，可以通过金属离子层析柱(Ni-NTA琼脂糖凝胶)亲和纯化。超声波破碎诱导后的菌体于12000r/min离心，去除细胞碎片。上清液采用康为世纪Ni-Agarose6xHis标签蛋白纯化试剂盒在4℃下进行纯化。将粗酶液负载上柱，流速为1mL/min：采用15倍柱体积平衡液(pH7.0，20mmol/LTris-HCl，10mmol/L咪唑，0.5mol/LNaCl)进行洗脱除去杂蛋白，流速为1mL/min；然后用8倍柱体积洗脱液(pH7.0，20mmol/LTris-HCl，500mmol/L咪唑，0.5mol/NaCl)收集目的蛋白，流速为1mL/min；最后将目的蛋白置透析袋中除盐，浓缩保存。
实施例5：中性植酸酶酶学性质测定
中性植酸酶活性测定方法参考GB/T18634-2009。取适量酶液，底物植酸钠浓度为5.0mmol/L，反应体系中CaCl2浓度为1mmol/L，缓冲体系为0.25mol/LTris-HCl(pH7.0)，反应总体积为6mL。将上述混合物置37℃反应30min，加入4mL显色及终止液(体积比2：1：1的43％硝酸溶液，100g/L钼酸铵，2.35g/L偏钒酸铵溶液)，置分光光度计测定无机磷含量(波长415nm)。
酶活性单位(U)定义为：在一定条件下，每分钟释放出1μmol无机磷所需的酶量为一个酶活性单位。
(1)中性植酸酶最适温度的测定：将反应混合物分别置于40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃水浴反应30min，加入4mL显色及终止液终止反应，检测酶活。温度对野生植酸酶和突变植酸酶的活性影响结果如图1所示。随着温度的升高，酶活性逐渐增大，到60℃，突变酶与野生酶活性都达到最高。说明二者的最适温度为60℃。与野生酶相比，在40～75℃范围内，突变酶活性均有提高，尤其是在50～60℃下活性提高约1倍。
(2)中性植酸酶最适pH的测定：配制不同pH的含有底物植酸钠的溶液(pH3.0为甘氨酸-HCL缓冲液，pH4.0～pH6.5分别为HAc-NaAc缓冲液，pH7.0～pH9.0为Tris-HCl缓冲液；pH10.0为甘氨酸-NaOH缓冲液)。将反应混合物置于60℃水浴反应30min，加入4mL显色及终止液终止反应，检测酶活。pH对野生植酸酶和突变植酸酶活力影响结果如图2所示。结果表明，野生酶最适pH为7.0，而突变酶最适pH为7.5。在pH6.0～7.5这一较宽的范围内，野生酶活性均在最大活性的70％以上。在pH7.5条件下，突变酶的活性约为野生酶的3.0倍。
Claims (6)
1.一种突变的中性植酸酶，所述中性植酸酶通过对野生型淀粉液化芽孢杆菌DSM1061phyC基因所表达的氨基酸序列的第251位氨基酸残基进行定点突变得到，其氨基酸序列为SEQIDNO.2所示的第27-383位。
2.编码权利要求1所示的突变中性植酸酶的核苷酸序列。
3.根据权利要求2所述的核苷酸序列，如SEQIDNO.1所示的第79-1152位。
4.含有权利要求2所述的核苷酸序列的表达载体。
5.用权利要求4所述表达载体转化的大肠杆菌。
6.权利要求1所述的突变中性植酸酶在饲料生产中的应用。
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