CN103525788A - 一种高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体及其制备方法和应用 - Google Patents
一种高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及基因工程和遗传工程领域,具体地,本发明涉及一种高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体及其制备方法和应用。本发明以来源于Penicillium sp.的酸性多聚半乳糖醛酸酶为母本,采用分子生物学技术对酸性多聚半乳糖醛酸酶序列进行区域替换后表达。在此改造条件下,酸性多聚半乳糖醛酸酶比活性比野生型(突变前)的比活性提高11.1倍;催化效率比野生型(突变前)提高33.5倍,并且最适反应pH值不变。利用此策略可以大大提高多聚半乳糖醛酸酶的催化效率,为其在食品、果蔬加工等工业生产领域提供了基础。此策略对多聚半乳糖醛酸酶及其它酶的催化效率提高具有重要的指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及基因工程和遗传工程领域,具体地,本发明涉及一种高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体及其制备方法和应用。
背景技术
果胶是一类带负电荷的高分子多糖,由不同酯化度的D-(+)--半乳糖醛酸以ɑ-1,4糖苷键连接而成的多糖链,常带有鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、木糖等组成的侧链,分子量介于25~360kDa之间(Jayani et al.,2005)。它广泛存在于高等植物,特别是水果和蔬菜的组织中,是果蔬植物细胞中胶层(胞间层)的主要成分。
内切多聚半乳糖醛酸酶(EC3.2.1.15)属于糖苷水解酶第28家族(GH28),作用于果胶酸时能随机地从多聚半乳糖醛酸链内部消解α-1,4-糖苷键,产生聚合度为10~14的寡聚半乳糖醛酸。它是一种降解果胶的重要工业用酶,主要应用在食品工业中的果蔬汁生产加工领域。果蔬汁的混浊和粘度大等问题主要是由果胶质引起的,在果蔬汁的提取和澄清过程通过酸性果胶酶处理可提高果蔬汁的出汁率和澄清度(Nakkeeran et al.,2011;Rehman et al.,2013)。
我国果蔬汁生产规模逐年扩大,目前在商品化的果胶酶主要有黑曲霉等真菌来源的复合果胶酶酶系,也有单一的果胶水解酶、果胶裂解酶和果胶酯酶酶种。从质量上看,现有果胶酶还普遍存在酶活力不高,稳定性较差的问题。高比活、高催化效率的多聚半乳糖醛酸酶工程菌株的获得主要通过诱变、筛选和酶分子改良获得。诱变分为自然突变和人工诱变,自然突变成功的几率非常小,人工诱变的工作量较大且有益突变频率仍然较低,变异的方向和性质难以控制。筛选的盲目性较大,不容易获得目的菌株。酶分子改良目的性强,针对酶分子具体结构分析进行改造,从而达到提高比活力和催化效率的目的。
发明内容
本发明的目的是提供了一种高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体。
本发明的再一目的是提供编码上述高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体的基因。
本发明的再一目的是提供包含上述突变体基因的重组载体。
本发明的另一目的是提供包含上述基因的重组菌株。
本发明以来源于Penicillium sp.的酸性多聚半乳糖醛酸酶为母本,采用分子生物学技术对酸性多聚半乳糖醛酸酶序列进行区域替换后表达。
根据本发明的高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体,是多聚半乳糖醛酸酶的催化活性通道loop区域替换后得到的突变体,即多聚半乳糖醛酸酶的loop区域氨基酸序列由“RNGDKGSL”突变为“SAGDSQG”
所述高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体的氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示。
SPAAEPAEGNRLIPRGSACTYSGVNGAAAAIAGKAGCSSITLNNVAVPAGTTLDLTGLAAGTKVIFEGTTTFGHKQWVGPLISISGTNIAVSGAAGHVIDGQGARWWDGKGSNTKTNIKPKFFLAHNLKGASTITGLNIKDTPVQVFSIDSSSGLTISGVTIDNSA GDSQGGHNTDGFDIGDSDHITITGATVYNQDDCLAINSGTNIIFSGGYCSGGHGLSIGSVGGRSNNVVDTVHISSTQVVNSQNGVRVKAVAGATGSIKGVTYQDITLSGITSQGVTIRQDYTNSGYTGNPTTQVPITGLTLNNVHGTVTSSGTDITVECGSAASCSGWTWTKVAVSGGKADLCKNAPANTC
所述高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体的核苷酸序列如SEQ ID NO.2所示。
TCTCCAGCTGCCGAACCGGCTGAAGGGAACAGACTCATCCCTCGTGGATCTGCTTGCACCTATTCAGGAGTCAATGGTGCAGCTGCAGCGATAGCCGGAAAGGCAGGTTGCTCCAGTATTACTCTCAATAACGTTGCAGTGCCTGCCGGGACTACGCTGGATTTGACTGGTCTGGCCGCGGGTACCAAGGTGATATTTGAGGGAACCACTACTTTCGGCCATAAGCAGTGGGTGGGCCCTCTGATCTCCATCTCTGGGACCAACATCGCAGTTTCTGGGGCTGCCGGTCACGTCATTGATGGCCAAGGTGCCCGCTGGTGGGATGGAAAGGGTTCCAACACCAAGACCAATATCAAACCTAAGTTCTTCCTCGCCCACAATCTCAAGGGAGCCTCCACTATTACGGGGTTGAACATCAAGGATACTCCCGTTCAGGTCTTCAGCATCGATAGCTCGTCGGGTCTGACGATCAGTGGTGTCACAATTGACAACTCGGCCGGCGACTCCCAGGGCGGTCACAACACCGACGGGTTCGATATCGGCGACAGTGATCACATTACCATCACTGGTGCTACAGTTTATAACCAAGACGACTGCCTGGCCATCAATTCTGGGACGAACATTATTTTCTCCGGCGGTTACTGCTCTGGTGGGCACGGATTGTCTATCGGCTCAGTCGGTGGCCGTTCCAATAATGTGGTAGACACCGTCCATATCAGCAGCACCCAGGTCGTCAACTCTCAGAATGGTGTCCGTGTCAAAGCTGTCGCTGGCGCCACCGGTAGTATCAAAGGCGTGACTTACCAGGATATTACCCTCTCCGGCATTACGAGCCAGGGAGTCACCATCCGCCAAGACTACACCAATTCTGGCTACACTGGAAACCCCACGACCCAGGTTCCAATCACTGGACTCACCTTGAATAATGTGCACGGCACGGTCACATCCAGTGGCACCGATATCACCGTCGAGTGTGGAAGTGCTGCCAGTTGTTCAGGCTGGACTTGGACTAAAGTTGCAGTCAGTGGCGGCAAGGCGGATTTGTGCAAGAATGCACCTGCCAACACTTGC
本发明还是提供一种制备高催化效率多聚半乳糖醛酸酶的方法:
1)采用over-lap PCR的方法扩增高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体基因序列;
2)将催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体序列片段克隆到表达载体pPIC9r上,重组载体命名pPIC9r-PG63X;
3)将突变体重组载体转化毕赤酵母GS115,诱导表达,获得突变株,优选为GS115/PG63X。
本发明还提供了包含上述多聚半乳糖醛酸酶突变体基因的重组载体,优选为pPIC9r-PG63X。将本发明的多聚半乳糖醛酸酶突变体基因插入到表达载体合适的限制性酶切位点之间,使其核苷酸序列可操作的与表达调控序列相连接。作为本发明的一个最优选的实施方案,优选为将多聚半乳糖醛酸酶基因插入到质粒pPIC9r上的SnaB I和Not I限制性酶切位点之间,得到重组表达质粒pPIC9r-PG63X。
本发明还提供了包含上述多聚半乳糖醛酸酶基因的重组菌株,优选为重组菌株GS115/PG63X。
本发明还提供了上述高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体的应用,例如在果蔬汁工业中的应用。
本发明首先所要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种性质优良的、适合于在食品工业中应用新的多聚半乳糖醛酸酶。本发明的高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体最适pH为3.5,与野生型的一致,但是比活力比野生型提高11.1倍;催化效率比野生型提高33.5倍。最适pH值都与苹果汁天然pH值3.5一致且在低温范围内都能保持稳定的活性,单酶应用试验结果表明它性质优良,与一定量的果胶裂解酶协同效果能达到商业复合酶的水平。这样一种在酸性pH环境和中低温范围内保持稳定并具有高酶活的多聚半乳糖醛酸酶被认为是果蔬汁生产行业中性质优良的工业用酶,有着非常广阔的应用前景。
附图说明
图1:在毕赤酵母中表达的重组高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体的SDS-PAGE分析,其中,M:低分子量蛋白质Marker;1:纯化的酶液。
图2:高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体与野生型的最适pH。
图3:高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体与野生型的最适温度。
图4:高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体与野生型的动力学曲线。
具体实施方式
试验材料和试剂
1、菌株及载体:表达宿主Pichia pastoris GS115,表达质粒载体pPIC9r为本实验室保存。
2、酶类及其它生化试剂:内切酶购自Fermentas公司,连接酶购自Promaga公司,多聚半乳糖醛酸购自Sigma公司。其它都为国产分析纯试剂(均可从普通生化试剂公司购买得到)。
3、培养基:
(1)LB培养基:0.5%酵母提取物,1%蛋白胨,1%NaCl,pH7.0
(2)YPD培养基:1%酵母提取物,2%蛋白胨,2%葡萄糖
(3)MD固体培养基:2%葡萄糖,1.5%琼脂糖,1.34%YNB,0.00004%Biotin
(4)MM固体培养基:1.5%琼脂糖,1.34%YNB,0.00004%Biotin,0.5%甲醇
(5)BMGY培养基:1%酵母提取物,2%蛋白胨,1%甘油(V/V),1.34%YNB,0.00004%Biotin
(6)BMMY培养基:1%酵母提取物,2%蛋白胨,1.34%YNB,0.00004%Biotin,0.5%甲醇(V/V)
实施例1高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体编码基因PG63X的克隆
本发明以来源于Penicillium sp.的酸性多聚半乳糖醛酸酶(其氨基酸序列如SEQID NO.3)为母本,采用分子生物学技术对酸性多聚半乳糖醛酸酶序列进行区域替换后表达。
SEQ ID NO.3如下所示:
SPAAEPAEGNRLIPRGSACTYSGVNGAAAAIAGKAGCSSITLNNVAVPAGTTLDLTGLAAGTKVIFEGTTTFGHKQWVGPLISISGTNIAVSGAAGHVIDGQGARWWDGKGSNTKTNIKPKFFLAHNLKGASTITGLNIKDTPVQVFSIDSSSGLTISGVTIDNRN GDKGSLGHNTDGFDIGDSDHITITGATVYNQDDCLAINSGTNIIFSGGYCSGGHGLSIGSVGGRSNNVVDTVHISSTQVVNSQNGVRVKAVAGATGSIKGVTYQDITLSGITSQGVTIRQDYTNSGYTGNPTTQVPITGLTLNNVHGTVTSSGTDITVECGSAASCSGWTWTKVAVSGGKADLCKNAPANTC
以Penicillium sp.基因组DNA为模板,在多聚半乳糖醛酸酶的催化活性通道loop区域处设计区域替换引物,采用over-lap PCR的方法扩增高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体编码基因PG63X。
表1.高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体PG63X特异性引物
实施例2高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体的制备。
将表达载体pPIC9r进行双酶切(SnaB I+Not I),同时将编码高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体的基因PG63X双酶切(SnaB I+Not I),切好的编码成熟高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体的基因片段(去除信号肽片段)与表达载体pPIC9r连接,获得含有高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体基因PG63X的重组质粒pPIC9r-PG63X并转化毕赤酵母GS115,获得重组酵母菌株GS115/PG63X。
取含有重组质粒的GS115菌株,接种于300mL BMGY培养基的1L三角瓶中,置于30℃,220rpm摇床培养48h;后将培养液3000g离心5min,弃上清,沉淀用100mL含有0.5%甲醇的BMMY培养基重悬,并再次置于30℃,220rpm条件下诱导培养。每隔12h补加0.5mL甲醇,使菌液中的甲醇浓度保持在0.5%,同时取上清用于酶活性检测。
重组高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体最适pH为3.5,与野生型的一致,但是比活力比野生型提高11.1倍;催化效率比野生型提高33.5倍。SDS-PAGE结果(图1)表明,重组多聚半乳糖醛酸酶在毕赤酵母中得到了表达。所表达的多聚半乳糖醛酸酶经过纯化之后,其蛋白质的含量达到总蛋白的95%以上。
实施例3重组高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体和野生型的活性分析
一、DNS法:具体方法如下:在给定的pH、温度条件下,1mL的反应体系包括100μL适当的稀释酶液,900μL底物,反应10min,加入1.5mL DNS终止反应,沸水煮5min。冷却后540nm测定OD值。1个酶活单位(U)定义为在给定的条件下,每分钟分解多聚半乳糖醛酸生成1μmol D-(+)-半乳糖醛酸所需的酶量。
二、重组高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体和野生型的性质测定
1、重组高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体和野生型的最适pH测定方法如下:
将实施例2纯化的重组高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体和野生型在不同的pH下进行酶促反应以测定其最适pH。底物多聚半乳糖醛酸用不同pH的0.1mol/L柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液中40℃下进行多聚半乳糖醛酸酶活力测定。结果(图2)表明,重组高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体和野生型的最适反应pH一致,且在pH3.0-6.0范围内有相同的作用趋势。符合不改变最适pH值提高催化效率的目的。
2、重组高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体和野生型的最适温度测定方法如下:
重组高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体和野生型的最适温度的测定为在0.1mol/L柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液(pH3.5)缓冲液体系及不同温度下进行酶促反应。酶反应最适温度测定结果(图3)表明,重组高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体(55℃)较野生型(40℃)的最适温度提高15℃。
3、重组高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体和野生型的动力学参数测定方法如下:
测定反应的一级反应时间。确定测定Km及Vmax的反应时间为5min。用不同浓度的多聚半乳糖醛酸(1.25,1.0,0.8,0.4,0.2,0.15和0.1%)为底物,在最适条件(温度、pH)下测定酶活性,计算出相应的反应速度,利用GraFit7软件计算Km值及Vmax。
以多聚半乳糖醛酸为底物时,重组高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体和野生型在最适条件下的Km值、Vmax值分别是1.04mg/mL,19,575.4U/min/mg和4.61mg/mL,2,590.5U/min/mg。
4、重组高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体和野生型的产物分析方法如下:
各取重组高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体和野生型(5,000U,过量)于一定量的底物(多聚半乳糖醛酸,pH3.5的缓冲液)中,在各自的最适反应温度下反应0.5,2,4,8,24h时取样进行高效阴离子交换色谱(HPAEC)分析。
表2.高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体和野生型不同时间点的产物分析
所用底物聚合程度不均一,有长链和短链。由上述结果,野生型pg63无法降解长链底物,具体表现在还原糖少且三糖量少,随着反应时间的增加,三糖量减少;突变体PG63X,还原糖含量明显升高,且三糖含量在反应的前8h逐渐升高,随后开始降解,表明8LX即拥有降解长链的能力,也拥有降解短链的能力。
相同的时间,产生还原糖的能力增强,说明催化效率有了很大程度的提高。
Claims (9)
1.一种高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体,其特征在于,所述多聚半乳糖醛酸酶突变体的氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示。
2.高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体基因,其特征在于,编码权利要求1所述高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体。
3.根据权利要求2所述的高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体基因,其特征在于,其核苷酸序列如SEQ ID NO.2所示。
4.包含权利要求2所述高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体基因的重组载体。
5.包含权利要求2所述高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体基因的重组载体pPIC9r-PG63X。
6.包含权利要求2所述高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体基因的重组菌株。
7.包含权利要求2所述高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体基因的重组菌株GS115/PG63X。
8.一种制备高催化效率多聚半乳糖醛酸酶的方法,包括以下步骤:
1)用权利要求4所述重组载体转化宿主细胞,得重组菌株;
2)培养重组菌株,诱导重组多聚半乳糖醛酸酶的表达;
3)回收并纯化所表达的高催化效率多聚半乳糖醛酸酶。
9.权利要求1所述高催化效率多聚半乳糖醛酸酶突变体的应用。
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