CN106011103A - 一种深海沉积物来源酯酶est4及其编码基因与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深海沉积物来源新型酯酶EST4及其编码基因与应用。一种深海来源酯酶基因est4由宏基因组筛选获得,核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示,其编码的酯酶EST4氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示。本发明所述的酯酶基因经异源表达后,底物为对硝基苯酚己酸酯(C6)时催化活性最高,酶活为56.1U/mg。酯酶EST4酯酶催化水解最适温度为35℃~40℃;在Ca2+、Co2+、Sr2+和Zn2+存在下酶学活性增大。该酯酶可应用于手性药物合成、食品加工及食品风味改良、废水处理和洗涤工业等工业生产。
Description
技术领域
本发明属于基因工程领域,具体涉及一种深海沉积物来源酯酶EST4、其编码基因及其应用。
背景技术
脂类水解酶是一类能够催化酯类化合物的水解和合成的酶。酯酶广泛存在于动物、植物和微生物中,动物胰脏酯酶和微生物酯酶是酯酶的主要来源。微生物酯酶以1935年Kirsh发现产脂肪酶的草酸青霉最早,微生物资源丰富,利用微生物发酵具有便于工业生产等优点,微生物酯酶在农业、食品加工、手性药物合成、环境治理和修复等领域获得广泛应用。
根据脂类水解酶的生化特征和序列特征,微生物来源的脂类水解酶主要分为8大家族。在结构上,酯酶属于α/β水解酶超家族,具有Ser-His-Asp构成的催化中心,其中Ser常位于保守氨基酸序列Gly-x-Ser-x-Gly结构内。第四家族又称为HSL家族(荷尔蒙敏感脂酶),因其氨基酸序列近似于哺乳动物的HSL蛋白(hormone-sensitivelipase)而得名。通常在嗜冷或嗜热细菌中可发现第四家族酯酶存在,其催化活性中心常会出现G-D-S-A-G的高度保守序列,该家族酯酶对催化温度表现出不同的偏好性,在食品风味改良和废水处理等工业中具有较高的应用潜力。
微生物产生的酯酶种类多,不同来源的酯酶具有多方面不同性质,从而导致各具特色的应用范围。因而需要持续不断地开发新特性酯酶以更好的满足工业需要。传统的微生物分离和纯培养方法,是获得微生物及其基因资源的重要基础。然而,因无法再现微生物的原位生境条件等原因,绝大多数微生物难以在实验室获得纯培养。特别是海洋微生物的可培养率不到1%,限制了我们对海洋微生物基因资源的发掘与应用。
海洋来源的酯酶通常具有与海洋环境相关的优良性质,例如温度稳定性、耐盐性、耐碱性、耐低温、以及优异的手性选择性等等,因此,从海洋徼生物中筛选出独具特性的酯酶就成了开发新型工业酶制剂的一个重要方向。宏基因组技术可从海洋环境中直接获取酶资源而不依赖于海洋微生物菌株的培养,克服了传统方法的困难,成为了获取海洋微生物基因资源的有力手段,大大开拓了微生物基因资源的来源。目前,宏基因组研究方法已经广泛应用于土壤、淡水、海水、海洋沉积物等环境中。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的深海来源酯酶、其编码基因及其制备方法,该酯酶可用于酯类降解及其他酯类化合物的生物催化和转化。
本发明从太平洋海山深海沉积物宏基因组文库中,通过特异性底物(三丁酸甘油酯)筛选获得酯酶基因est4,经PCR、酶切、克隆和测序,酯酶基因核苷酸序列如SEQ ID No.1所示。酯酶基因est4大小为921bp,碱基组成为:133A(14.44%)、132T(14.33%)、384C(41.69%)和272G(29.53%),编码蛋白大小为306个氨基酸残基,其氨基酸序列如SEQ ID No.2所示。系统发育分析结果表明,酯酶EST4属于酯酶家族中的第IV家族。酯酶EST4氨基酸序列中存在包括第四家族特征保守序列G-D-S-A-G(氨基酸位置为151-156)在内的数个保守区域。催化活性中心为丝氨酸(氨基酸位置为154)、天冬氨酸(氨基酸位置为242)和组氨酸(氨基酸位置为268),此外,酯酶EST4存在的保守序列片段HGGG(氨基酸位置为84-97)与第四家族特征序列(HGG)相符,酯酶EST4应为酯酶第IV家族中新成员。
在不影响酯酶EST4蛋白活性前提下,可对SEQ ID NO:2所示的远离催化中心氨基酸位置(优选远离151-156位、242位和268位)的氨基酸序列进行各种取代、添加和/或缺失一个或几个氨基酸获得具有酯酶EST4活性的衍生蛋白质。
优选的,其中酯酶EST4蛋白的6个或更少的氨基酸已经被取代和/或添加和/或缺失;更优选是这样的衍生蛋白质,其中酯酶EST4蛋白的3个或更少的氨基酸已经被取代和/或添加和/或缺失;最优选是这样的衍生蛋白质,其中酯酶EST4蛋白的一个氨基酸已经被取代和/或添加和/或缺失。
根据本领域技术的公知常识,蛋白质的生物学活性是和其功能结构域密切相关的。一般来说,只有发生在功能结构域的位点突变可能对蛋白质的二维和三维结构产生影响,从而影响其生物学活性。而对于发生在远离功能结构域(优选远离151-156位、242位和268位)的氨基酸位点,由于这一区域不参与蛋白功能构象,因而氨基酸的个别点突变不会对蛋白质的生物学活性产生实质性影响,从而能够基本保留原蛋白质的生物学功能。优选的酯酶EST4突变体具有至少与SEQID NO:2所示的氨基酸序列90%以上的同源性,更优选具有至少95%以上的同源性,最优选具有至少99%以上的同源性。
同理,本发明还提供了编码如SEQ ID NO.2所示氨基酸序列的基因序列,其与SEQ ID NO.1所示的核苷酸序列一致;本发明还提供对SEQ ID NO.1所示的核苷酸序列中除451-468位、724-726位和802-804位核苷酸外的其他核苷酸进行替换、添加和/或缺失一个或几个核苷酸从而获得编码能基本保留酯酶EST4蛋白生物学活性的突变体基因。优选的酯酶EST4突变体基因具有至少与SEQ ID NO:1所示的核苷酸序列90%以上的同源性,更优选具有至少95%以上的同源性,最优选具有至少99%以上的同源性。
利用基因克隆技术,可将克隆到的酯酶EST4基因连接到合适的载体上,并转化或转染到原核生物或真核生物宿主表达制备重组酯酶EST4。合适的原核生物宿主包括各种细菌如E.coli等,合适的真核生物宿主包括酵母(如甲醇酵母)及哺乳动物细胞(如中国仓鼠卵巢细胞)等,优选采用原核表达系统E.coli。
合适的载体为本领域技术人员所熟知的各种可商业化购买的原核或真核表达载体,原核表达载体如pET系列载体,pQE系列载体;酵母表达载体pPICZ-α-A,pHIL-D2,pPIC9,pHIL-S1(InvitrogenCorp.San Diego.California.USA);动物细胞表达载体pSVK3、pMSG(Amersham Pharmacia Biotech Inc.USA)等。一个优选的例子是将本发明筛选到的酯酶基因est4连接到大肠杆菌表达载体pSMT3上,并转化到大肠杆菌Rosetta(DE3)中,经诱导表达出高活性的重组酯酶。可以用各种蛋白分离的方法分离纯化蛋白,如盐析、沉淀、超滤、液相层析等技术及这些技术的组合。其中液相层析可以用凝胶排阻、亲和、离子交换、疏水、反相等层析技术。
本发明还提供了酯酶EST4或能表达酯酶EST4的宿主菌在工业上的应用,例如可用于催化酯类水解。通过酯酶活力测定表明,酯酶EST4或上述能表达EST4酯酶的宿主菌可用于水解短链脂肪酸酯,例如C2-C8短碳链脂肪酸酯,同时对C10-C14的长碳链脂肪酸酯也具有一定降解作用。优选的短链脂肪酸脂为具有C2-C8短碳链的对硝基苯酚酯,例如对硝基苯酚乙酸酯、对硝基苯酚丁酸酯、对硝基苯酚己酸酯、对硝基苯酚辛酸酯和对硝基苯酚癸酸酯等,其中底物为对硝基苯酚己酸酯(C6)时催化活性最高,酶活为56.1U/mg。
EST4酯酶催化水解温度范围为15~50℃,优选为35℃~40℃;所述水解的pH值为5.0~10.0,优选为7.5~8.0。在Ca2+、Co2+、Sr2+和Zn2+存在下酶学活性增大。
本发明从太平洋海山深海沉积物宏基因组文库中筛选获得新的酯酶基因,发现了该基因编码蛋白具有优良的酶学特性,可应用于催化解酯和酶法合成酯产品生产过程中。获得的酯酶基因可克隆到合适的宿主中实现异源表达。该酶的生产可在食品加工、洗涤剂和废水处理等生产工艺中显示出重要的经济和社会价值。
附图说明
图1为纯化酯酶EST4的聚乙酰胺凝胶电泳分析图。
图2为酯酶EST4的底物特异性图。C2:对硝基苯酚乙酸酯;C4:对硝基苯酚丁酸酯、C6:对硝基苯酚己酸酯;C8:对硝基苯酚辛酸酯;C10:对硝基苯酚癸酸酯;C12:对硝基苯酚十二酸酯;C14:对硝基苯酚十四酸酯;C16:对硝基苯酚十六酸酯;定义底物为C6时测定值为100%。
图3为酯酶EST4最适反应温度图。
图4为酯酶EST4最适反应pH图。
图5为二价阳离子对酯酶EST4活性影响图。
图6为有机溶剂和去垢剂对酯酶EST4活性影响图。
具体实施方式
实施例1酯酶基因est4的获取
深海沉积物样品于2008年由深海可视多管取样器采集自太平洋海山边缘。宏基因组文库构建采用CopyControlTM HTP fosmid libraryproduction kit(Epicentre Biotechnologies,美国),宿主菌株为E.coliEPI300(Epicentre Biotechnologies,美国),载体为pCC2FOS fosmidvector(Epicentre Biotechnologies,美国)。经脉冲场电泳检测,插入片段大小为36~48kb。
采用酯酶筛选平板筛选具有酯酶基因的克隆子。酯酶筛选培养基配方为LB培养基(10g/L胰蛋白胨,5g/L酵母抽提物,10g/L氯化钠,pH 7.2)中加入10g/L三丁酸甘油酯;灭菌后,无菌条件下加入氯霉素,使其终浓度为12.5μg ml-1。取10μl文库菌液稀释至100μl,涂布于酯酶筛选平板,30℃培养2天,菌落周围出现明显透明圈即为阳性克隆。将阳性克隆挑出,经重复验证获得酯酶克隆E4。
经重复验证的酯酶阳性克隆E4接入3ml LB液体培养基(含12.5μg ml-1氯霉素和6μl CopyControlTMFosmidAutoinduction Solution),37℃250rpm震荡培养18h。采用质粒抽提试剂盒(Axygen,美国)提取fosmid质粒。携带酯酶基因的fosmid质粒采用限制性内切酶Sau3AI进行不完全酶切,割胶回收1.5~4kb大小的DNA片段,将其连接至pUC19质粒,再转化入E.coli DH5α菌株,涂布于含有100μg ml-1氨苄青霉素的酯酶筛选培养基平板筛选阳性亚克隆。30℃培养2天后挑选产生透明圈的亚克隆,经划线重复验证后测序,获得插入片段DNA序列。
针对插入片段的序列,基于NCBIORF Finder
(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html)分析获得插入片段中开放阅读框信息,通过Blastx(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/)比对序列与数据库中已知酯酶基因序列的同源性。经数据库比对分析获得est4基因,大小为921bp,碱基组成为:133A(14.44%)、132T(14.33%)、384C(41.69%)和272G(29.53%),其核苷酸序列如SEQ ID No:1所示。编码蛋白大小为306个氨基酸残基,其氨基酸序列如SEQ ID No.2所示。
系统发育分析结果表明,酯酶EST4属于酯酶家族中的第IV家族。酯酶EST4氨基酸序列中存在包括第四家族特征保守序列G-D-S-A-G(氨基酸位置为151-156)在内的数个保守区域。催化活性中心为丝氨酸(氨基酸位置为154)、天冬氨酸(氨基酸位置为242)和组氨酸(氨基酸位置为268),此外,酯酶EST4存在的保守序列片段HGGG(氨基酸位置为84-97)与第四家族特征序列(HGG)相符。因此,酯酶EST4应为酯酶第IV家族中新成员。
实施例2酯酶基因est4的重组表达质粒和重组菌株的构建
将本发明获得的酯酶基因est4克隆到表达载体上,构建重组表达菌株。基于NCBIORF Finder的ORF分析获得的酯酶基因的开放阅读框序列,设计扩增酯酶全基因的上游引物E4F(5’-TCGCGGATCCGTGGCGGACGGCGAGGC-3’,BamHI)和下游引物E4R(5’-TCCGCTCGAGCTAGAGGTCGTCGATCCTGTC-3’,XhoI),PCR扩增确认基因全长序列。采用酶切克隆的方法构建表达质粒,即用BamHI和XhoI双酶切PCR产物,纯化后的片段与经BamHI和XhoI双酶切的质粒pSMT3连接,采用CaCl2转化法转化至E.coliDH5α中,卡那霉素抗性筛选阳性克隆。采用质粒抽提试剂盒(Axygen,美国)提取阳性克隆的质粒,经BamHI和XhoI双酶切鉴定,获得900bp左右的DNA片段,经测序鉴定为酯酶基因est4。将重组表达质粒转化到E.coliRosetta(DE3)表达菌株中,构建表达重组菌株。
实施例3利用重组表达菌株表达重组酯酶基因est4
将构建好的3ml重组表达菌株转接到100ml含有20μg/ml卡那霉素和34μg/ml氯霉素的LB液体培养基中,37℃振荡培养至OD600达到0.6,加入终浓度为0.5mM的IPTG进行诱导表达,转入25℃以150r/min振荡培养8h。低温离心收集菌体,重悬于NTA-10溶液(500mM氯化钠,10mM咪唑,20mMTris盐酸,pH 8.0)中,在冰上进行超声波破碎处理。低温离心收集上清,采用NTA-Ni2+亲和柱层析纯化表达蛋白。所表达的重组蛋白含有N端的6×His tag,可亲和吸附到层吸柱上,经过不同浓度的咪唑溶液梯度洗脱,收集洗脱液。经SDS-PAGE检测,得到电泳纯的重组酯酶蛋白EST4,分子量约37kDa。用Lowry法测定蛋白质浓度,得到约0.15mg/100ml发酵液的表达量。
实施例4重组酯酶基因est4的活性检测
利用对硝基苯酚已酸酯法测定纯化的重组酯酶EST4活性。具体操作:1ml反应体系中包括1mM对硝基苯酚己酸酯,100mM磷酸盐缓冲液(pH 7.5)和18ng纯酶蛋白(为10μl经稀释的纯化酶液),采用紫外可见光分光光度计(Beckman DU800型,美国)于20℃条件下连续测定吸光值A4052min,使用失活的酶液作为对照用于调零。一个酶活力单位定义为每分钟从对硝基苯酚酯催化产生lμmol对硝基苯酚的所需要的酶量。测得的酯酶活性为56.1U/mg。
实施例5酯酶EST4底物特异性分析
酯酶EST4的底物特异性分析采用体系:100mM Tris-HCl缓冲液(pH 7.5),1mM底物,加入1000ng纯酶蛋白,在20℃下连续测定吸光值A4052min。测定采用的底物为:对硝基苯酚乙酸酯(C2),对硝基苯酚丁酸酯(C4),对硝基苯酚己酸酯(C6),对硝基苯酚辛酸酯(C8),对硝基苯酚癸酸酯(C10),对硝基苯酚十二酸酯(C12),对硝基苯酚十四酸酯(C14),对硝基苯酚十六酸酯(C16)。经测定表明,酯酶E10对酰基碳链较短的对硝基苯酚酯(C2、C4、C6、C8和C10)具有较好的催化活性,其中底物为对硝基苯酚乙酸酯(C2)时催化活性最高,对硝基苯酚十四酸酯(C12)和对硝基苯酚十四酸酯(C14)也具有一定的催化活性(图2)。结果表明,酯酶EST4对酰基碳链较短脂类物质具有较好催化活性,对于短链脂类的水解活力优于长链脂类。
实施例6酯酶EST4最适反应条件分析
酯酶EST4最适反应温度在35~40℃范围内测定。具体操作为:100mMTris-HCl缓冲液(pH 7.5),1mM对硝基苯酚己酸酯,加入1000ng纯酶蛋白,分别在15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、50℃和60℃条件下连续测定吸光值A4052min。测定结果表明EST4的反应温度范围为15℃~50℃,最适反应温度为35℃~40℃(图3)。
酯酶EST4最适反应pH在3.0~10.0范围内测定。具体操作为:在不同pH缓冲液中加入1mM对硝基苯酚己酸酯和1000ng纯酶蛋白,在20℃下连续测定吸光值A3482min。测定使用的缓冲液为:100mM柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液(pH 3.0~6.0),100mM磷酸二氢钾-氢氧化钠缓冲液(pH 6.0~7.5),100mMTris盐酸缓冲液(pH 7.5~8.5)和100mM 2-环己胺基乙磺酸-氢氧化钠缓冲液(pH 8.5~9.5)。测定结果表明,酯酶EST4最适反应pH为7.5~8.0,在pH 4.0~10.0范围内具有活性(图4)。
实施例7酯酶EST4酶学稳定性分析
二价阳离子对酯酶EST4活性影响的测定具体操作为:在反应体系中分别加入10mM Co2+、Cu2+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Sr2+、Mn2+、Ni2+、Ba2+和乙二胺四乙酸(EDTA),测定酶活性。测酶活体系为:100mMTris-HCl缓冲液(pH 7.5),1mM对硝基苯酚己酸酯,1000ng纯酶蛋白,于20℃下连续测定吸光值A4052min。测定结果表明,酯酶EST4活性会被Ba2+完全抑制,在Ca2+、Co2+、Sr2+和Zn2+存在下酶学活性增大(图5)。
有机溶剂和去垢剂对酯酶EST4活性影响的测定具体操作为:在反应体系中分别加入15%(v/v)有机溶剂(异丙醇、乙腈、乙醇、甲醇、丙酮、二甲基亚砜和二甲基甲酰胺)和1%去垢剂(w/v或v/v)(SDS、吐温20、吐温80和Triton X-100)然后测定酶的活性。测活体系为:100mMTris-HCl缓冲液(pH 7.5),1mM对硝基苯酚己酸酯,1000ng纯酶蛋白,于20℃下连续测定吸光值A4052min。测定结果表明,酯酶EST4活性会被SDS完全抑制,而吐温20和甘油对其活性影响较小(图6)。
Claims (10)
1.一种酯酶EST4,是具有如下(1)或(2)特征的蛋白质:
(1)、其氨基酸序列与Seq ID NO.2所示序列一致;
(2)、对SEQ ID NO.2所示的远离151-156位、242位和268位氨基酸位置的氨基酸序列进行各种取代、添加和/或缺失一个或几个氨基酸获得具有酯酶活性的衍生蛋白质。
2.根据权利要求1所述的酯酶,其特征在于:所述的具有酯酶活性的衍生蛋白质具有至少与SEQ ID NO:2所示的氨基酸序列90%以上的同源性。
3.编码权利要求1所述酯酶的基因,其核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示;或为对SEQ ID NO.1所示的核苷酸序列中除451-468位、724-726位和802-804位核苷酸外的其他核苷酸进行替换、添加和/或缺失一个或几个核苷酸从而获得编码能基本保留酯酶蛋白生物学活性的突变体基因。
4.根据权利要求3所述的基因,其特征在于:所述的酯酶突变体基因具有至少与SEQ ID NO:1所示的核苷酸序列90%以上的同源性。
5.携带有权利要求3-4任一项所述基因的载体。
6.根据权利要求5所述的载体,其特征在于:所述的载体选自pET系列载体,pQE系列载体,酵母表达载体pPICZ-α-A,pHIL-D2,pPIC9,pHIL-S1,动物细胞表达载体pSVK3或pMSG。
7.一种宿主,其由权利要求5-6任一项所述的载体经转化或转染原核生物或真核生物宿主得到。
8.根据权利要求7所述的宿主,其为E.coli细菌。
9.权利要求1所述的酯酶或权利要求7所述的能表达酯酶的宿主菌在催化酯类水解中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用,其特征在于,所述的酯类为短链脂肪酸酯。
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