CN103881958A - 基于β-葡萄糖苷酶的工程菌及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一种生物工程技术领域的基于β‐葡萄糖苷酶的工程菌及其实现方法，该β‐葡萄糖苷酶基因克隆自灰色链霉菌(Streptomyces griseorubens)JSD‐1，将其连接到表达载体上得到重组表达载体，进一步将该重组表达载体导入大肠杆菌并诱导合成β‐葡萄糖苷酶。本发明克服现有技术中β‐葡萄糖苷酶多为胞内酶且表达量非常低等不足，应用基因工程菌表达本发明所述的β‐葡萄糖苷酶基因制备β‐葡萄糖苷酶，可为工业化发酵生产β‐葡萄糖苷酶提供一种新方法。

Description

基于β-葡萄糖苷酶的工程菌及其实现方法

技术领域

本发明涉及的是一种生物基因工程技术领域的基因及其实现方法，具体是一种能够外源表达β-葡萄糖苷酶(Sg-Gcd)的大肠杆菌工程菌及其实现方法。 

背景技术

木质纤维素是植物界中最为丰富的天然高分子化合物，是植物通过光合作用产生的主要干物质，主要包括纤维素、半纤维素和木质素。据估计，每年全世界绿色植物光合作用产生的木质纤维素总干重为l730亿t，所含总能量可达2×1018kJ，相当于每年全世界消耗能量的10倍。木质纤维素的生物降解和解聚作用是一个高度复杂的过程，它涉及众多酶系的参与。 

木质纤维素中的纤维素组分是由葡萄糖组成的大分子多糖，不溶于水及一般有机溶剂，性质稳定；纤维素降解需要纤维素酶的参与，纤维素酶并不是一种简单的酶，而是由若干种相互关联的酶组成的一个复杂的酶系统，主要由3类组成：内切-β-1,4-葡聚糖酶(Endo-β-1,4-glucanase)，又被称为Cx酶；外切葡聚糖酶(Exoglucanses)，又被称为C1酶；β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase)，又被称为BG酶或CB酶。目前普遍接受的观点是3种酶协同作用于纤维素的降解过程，即首先由Cx酶在纤维素聚合物的内部起作用，在纤维素的非结晶部位进行切割，产生新的末端，然后再由外切葡聚糖酶以纤维二糖为单位，从末端进行水解，最后由CB酶将纤维二糖彻底水解为葡萄糖。因此，β-葡萄糖苷酶在纤维素彻底水解过程中起十分关键的作用。 

目前，各种纤维素酶基因均已在细菌中发现并被克隆。与真核生物纤维素酶基因相比，细菌纤维素酶基因具有不含内含子、易克隆、易表达及种类多等优势。其中，灰略红链霉菌(Streptomyces griseorubens)是一种常见的土壤细菌(或放线菌)。作为一种放线菌，灰略红链霉菌之前的研究重点为如何改造其代谢途径以提高抗生素尤其是链霉素的发酵产量，对其基因组内其他功能基因的开发和利用还相对不足。 

与大多数细菌相比，链霉菌具有较为复杂的生长、分化机制，对大分子多糖物质有很强的分解利用能力，如纤维素等。因此，研究链霉菌对大分子多糖物质的分解利用机制，发现全新的纤维素酶基因序列并通过克隆和转基因的方式对目的基因进行外源表达，对新型纤维素酶制剂的开发及生产具有重大意义。 

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于β-葡萄糖苷酶的工程菌及其实现方法。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

本发明涉及一种基于β-葡萄糖苷酶的工程菌，能够外源表达β-葡萄糖苷酶的DH5α大肠杆菌。 

所述工程菌通过以下方式构建得到： 

1)设计并合成PCR引物，自灰略红链霉菌JSD-1（CGMCC NO.5706）基因组DNA为模板进行PCR扩增； 

所述的PCR引物是指含有NdeⅠ和EcoRⅠ酶切位点的引物，具体包括： 

正向引物Gcd-NdeⅠ-F，如SEQ ID No.3所示： 

5'-GGAATTCCATATGATCCGGGCCATGGCGACGACGAACCC-3' 

反向引物Gcd-EcoRⅠ-R，如SEQ ID No.4所示： 

5'-GGAATTCTCAGTCCCGCTGCTCCCGCAGCAGCGCGCGGT-3' 

所述的PCR扩增采用PrimeSTAR GXL高保真酶(TaKaRa)进行扩增，PCR扩增条件为：98℃预变性3min；98℃变形10s，68℃延伸1min；30个循环后68℃终延伸3min。 

2）构建具有Sg-Gcd基因的质粒：将步骤1得到的PCR扩增产物切胶回收后连接至克隆载体，并导入DH5α大肠杆菌感受态细胞；挑取具有相应抗性的克隆并通过菌落PCR进行鉴定，直至获得阳性克隆后挑取并摇菌提取得到pET-41a质粒。 

所述的克隆载体采用pEASY-Blunt Simple Cloning Vector。 

3）构建具有Sg-Gcd基因的表达载体，具体步骤包括： 

3.1)用NdeⅠ和EcoRⅠ双酶切处理含有Sg-Gcd基因的克隆质粒后通过琼脂糖凝胶电泳回收含有β-葡萄糖苷酶(Sg-Gcd)基因的片段； 

3.2)用NdeⅠ和EcoRⅠ内切酶处理pET-41a质粒，并通过琼脂糖凝胶电泳回收载体片段； 

3.3)将两次回收的DNA片段混合，在T4DNA Ligase的作用下过夜连接，然后导入DH5α大肠杆菌感受态细胞，挑取阳性克隆并扩大培养提取其质粒，获得含有Sg-Gcd基因的表达载体。 

4）将表达载体转化至大肠杆菌：将步骤3中得到的含有Sg-Gcd基因的表达载体质粒转入Transetta(DE3)感受态细胞内。通过具有卡那霉素抗性和氯霉素抗性的LB液体培养基进行筛选获得阳性克隆，即含有Sg-Gcd基因的工程菌。 

所述的β-葡萄糖苷酶，其氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示。 

所述的Sg-Gcd基因，其核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示，其长度为1323个碱基对，编码440个氨基酸，分子量为48.9KD。 

附图说明

图1目的基因PCR扩增结果电泳图。 

图2含有目的基因的克隆载体酶切电泳图。 

图3含有目的基因的pET-41a载体酶切电泳图。 

图4重组菌诱导蛋白SDS-PAGE电泳图。 

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

实施例1 

灰略红链霉菌(Streptomyces griseorubens)JSD‐1的培养 

灰略红链霉菌(Streptomyces griseorubens)分离自上海浦江镇腐烂土壤，保藏编号为CGMCC No.5706；该菌株于2012年1月9日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心中国科学院微生物研究所(地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号100101) 

将该菌接种于LB液体培养基中，32℃培养60h，离心收集菌体并提取细菌的基因组DNA。 

所述的LB液体培养基组分为：蛋白胨10g、酵母提取物5g、NaCl5g、去离子水1L，pH6.8-7.2。 

实施例2 

灰略红链霉菌β-葡萄糖苷酶(Sg-Gcd)基因的克隆 

通过对灰略红链霉菌β-葡萄糖苷酶基因序列进行分析，设计含有NdeⅠ和EcoRⅠ酶切位点的引物如下： 

正向引物Gcd-NdeⅠ-F，如SEQ ID No.3所示： 

5'-GGAATTCCATATGATCCGGGCCATGGCGACGACGAACCC-3' 

反向引物Gcd-EcoRⅠ-R，如SEQ ID No.4所示： 

5'-GGAATTCTCAGTCCCGCTGCTCCCGCAGCAGCGCGCGGT-3' 

以灰略红链霉菌JSD-1基因组DNA为模板，采用PrimeSTAR GXL高保真酶(TaKaRa)进行扩增。PCR扩增条件为：98℃预变性3min；98℃变形10s，68℃延伸1min；30个循环后68℃终延伸3min。 

实施例3 

含有β-葡萄糖苷酶(Sg-Gcd)基因克隆载体的构建 

将PCR扩增产物进行电泳检测，结果表明获得片段约为1.3Kb(见图1)；然后将PCR产物切胶回收后连接到pEASY-Blunt Simple Cloning Vector(北京全式金)，随后导入DH5α大肠杆菌感受态细胞。 

挑取具有相应抗性的克隆，通过菌落PCR进行鉴定，直至获得阳性克隆；挑取阳性克隆，摇菌提取其质粒后送上海桑尼生物有限公司进行测序。 

实施例4 

含有β-葡萄糖苷酶(Sg-Gcd)基因表达载体的构建 

选取序列正确的质粒，用NdeⅠ和EcoRⅠ双酶切后通过琼脂糖凝胶电泳回收含有β-葡萄糖苷酶(Sg-Gcd)基因的片段(如图2)；同样，用NdeⅠ和EcoRⅠ内切酶处理pET-41a表达载体，并通过琼脂糖凝胶电泳回收较大的载体片段。 

将两次回收的DNA片段混合，在T4DNA Ligase的作用下过夜连接，然后导入DH5α大肠杆菌感受态细胞。挑取阳性克隆，扩大培养提取其质粒便获得含有β-葡萄糖苷酶(Sg-Gcd)基因表达载体。用NdeⅠ和EcoRⅠ双酶切通过琼脂糖凝胶电泳检测(如图3)，确认载体构建无误。 

实施例5 

含有β-葡萄糖苷酶(Sg-Gcd)基因表达菌株的构建 

将含有β-葡萄糖苷酶(Sg-Gcd)基因表达载体质粒转入Transetta(DE3)感受态细胞内。通过具有卡那霉素抗性和氯霉素抗性的LB固体培养基进行筛选获得阳性克隆。获得的阳性克隆便为含有β-葡萄糖苷酶(Sg-Gcd)基因的表达菌株。 

实施例6 

β-葡萄糖苷酶(Sg-Gcd)的外源表达 

挑取阳性克隆并接种于含卡那霉素和氯霉素(浓度均为25μg/mL)的LB液体培养基中，32℃、150rpm震荡培养2-3h，当OD600达到0.6-0.8时，加入IPTG使发酵液中IPTG浓度达为0.1mM，28℃、140rpm继续培养8小时进行诱导表达。待诱导表达完成，离心收集菌体，用破胞缓冲液洗涤菌体一次，再用1/10发酵液体积的1×PBS缓冲液重悬菌体后在冰浴条件下超声波破碎至菌液澄清，13000rpm/min离心10min收集上清，上清液即为β-葡萄糖苷酶的粗酶液。 

实施例7 

重组菌诱导表达β-葡萄糖苷酶粗酶液的SDS-PAGE 

制备12%SDS-PAGE胶，将粗酶液与5×SDS-PAGE Loading Buffer比例混合，与沸水浴10min，每个点样孔上样10μL，120V电泳10min待条带进入分离胶后调高电压至160V，电泳60-70min，直至溴酚蓝指示条带完全跑出胶。停止电泳，用考马斯亮蓝R-250溶液过夜染色，然后用脱色液进行洗涤，直至背景色完全脱去，条带清晰可见(如图4)。 

所述的12%SDS-PAGE是由浓缩胶与分离胶构成的，其组分分别为： 

分离胶：蒸馏水1.6mL，30%丙烯酰胺溶液2.0mL，1.5M Tris-HCl(pH8.8)1.3mL，10%过硫酸铵(APS)0.05mL，10%SDS溶液0.05mL，TEMED0.002mL； 

浓缩胶：蒸馏水0.68mL，30%丙烯酰胺溶液0.17mL，1.0M Tris-HCl(pH6.8)0.13mL， 10%过硫酸铵(APS)0.01mL，10%SDS溶液0.01mL，TEMED0.001mL； 

所述的5×SDS-PAGE Loading Buffer组分为：1M Tris-HCl(pH6.8)1.25mL，SDS0.5g，溴酚蓝25mg，甘油2.5mL，去离子水定容至5mL。小份分装(500μL)后与室温保存，使用前每小份加入β-巯基乙醇25μL。 

所述的考马斯亮蓝R-250溶液组分为：考马斯亮蓝R-2501g，异丙醇250mL，冰醋酸100mL，去离子水650mL。 

所述的脱色液组分为：冰醋酸100mL，无水乙醇50mL，去离子水850mL。 

序列表

 

Claims (5)

1.一种基于β-葡萄糖苷酶的工程菌，其特征在于，该工程菌为外源表达β-葡萄糖苷酶的DH5α大肠杆菌；

所述的β-葡萄糖苷酶，其氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示；

所述的β-葡萄糖苷酶具有Sg-Gcd基因，其核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示，其长度为1323个碱基对，编码440个氨基酸，分子量为48.9KD。

2.根据权利要求1所述工程菌的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设计并合成PCR引物，自灰略红链霉菌JSD-1（CGMCC NO.5706）基因组DNA为模板进行PCR扩增；

所述的PCR引物是指含有NdeⅠ和EcoRⅠ酶切位点的引物，具体包括：

正向引物Gcd-NdeⅠ-F，如SEQ ID No.3所示：

5'-GGAATTCCATATGATCCGGGCCATGGCGACGACGAACCC-3'

反向引物Gcd-EcoRⅠ-R，如SEQ ID No.4所示：

5'-GGAATTCTCAGTCCCGCTGCTCCCGCAGCAGCGCGCGGT-3'

2）构建具有Sg-Gcd基因的质粒：将步骤1得到的PCR扩增产物切胶回收后连接至克隆载体，并导入DH5α大肠杆菌感受态细胞；挑取具有相应抗性的克隆并通过菌落PCR进行鉴定，直至获得阳性克隆后挑取并摇菌提取得到pET-41a质粒；

3）构建具有Sg-Gcd基因的表达载体；

4)将表达载体转化至大肠杆菌：将步骤3中得到的含有Sg-Gcd基因的表达载体质粒转入Transetta感受态细胞内。通过具有卡那霉素抗性和氯霉素抗性的LB液体培养基进行筛选获得阳性克隆，即含有Sg-Gcd基因的工程菌。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的PCR扩增采用PrimeSTAR GXL高保真酶进行扩增，PCR扩增条件为：98℃预变性3min；98℃变形10s，68℃延伸1min；30个循环后68℃终延伸3min。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的克隆载体采用pEASY-Blunt Simple CloningVector。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的步骤3具体包括：

3.1)用NdeⅠ和EcoRⅠ双酶切处理含有Sg-Gcd基因的克隆质粒后通过琼脂糖凝胶电泳回收含有Sg-Gcd基因的片段；

3.2)用NdeⅠ和EcoRⅠ内切酶处理pET-41a质粒，并通过琼脂糖凝胶电泳回收载体片段；

3.3)将两次回收的DNA片段混合，在T4DNA Ligase的作用下过夜连接，然后导入DH5α大肠杆菌感受态细胞，挑取阳性克隆并扩大培养提取其质粒，获得含有Sg-Gcd基因的表达载体。

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