CN108285900B - 一种重组褐藻胶裂解酶及其构建方法及应用 - Google Patents

一种重组褐藻胶裂解酶及其构建方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种重组褐藻胶裂解酶及其构建方法及应用,属于生物技术领域。本发明所涉及的褐藻胶裂解酶Aly‑Cob来源于环境样品(海带堆放处与工厂生产废料的混合物),本发明利用基因工程的技术方法,将该褐藻胶裂解酶的基因克隆到表达载体上,获得可异源表达褐藻胶裂解酶的重组菌株,该菌株发酵产生的褐藻胶裂解酶Aly‑Cob,具有降解海藻酸钠制备褐藻寡糖的功能。本发明提供的褐藻胶裂解酶Aly‑Cob可广泛应用于农业、食品、饲料添加、医药及海藻加工等领域。

Description

一种重组褐藻胶裂解酶及其构建方法及应用
技术领域
本发明涉及一种重组褐藻胶裂解酶及其构建方法及应用,属于生物技术领域。
背景技术
近年来,随着海洋药物的蓬勃发展,海藻多糖的研究日益受到重视,褐藻胶便是其中之一。褐藻胶具有广泛的应用价值,褐藻胶降解物由于具有抗肿瘤、免疫调节、降血糖血脂等多种生物活性,目前已成为国际上褐藻酸产品深入研发高附加值利用的代表方向和研究热点。褐藻胶裂解酶作为工具酶酶解生产褐藻寡糖和低分子量多糖具有降解条件温和,过程可控,得率高等优点,已逐渐取代传统酸解方法而成为褐藻寡糖生产的主要方式。此外,这类酶除了可以制备褐藻寡糖,还在诸多方面都具有重要的研究价值和应用价值,如活性海藻低聚糖的制备,原生质体的制备,肺囊性纤维化的辅助治疗等。因此,褐藻胶裂解酶的挖掘有广阔的前景。
现已报道的褐藻胶裂解酶多是从海带、以褐藻为食的海洋动物和土壤中的微生物中获得,如交替假单胞菌(Pseudoaltermonas elyakovii)、假单胞菌(Pseudomonassp.QD03、Pseudomonas fluorescens、Pseudomonas syringae)、固氮菌(Azotobactervinelandii)、弧菌(Vibrio sp.510–64、Vibrio sp.O2)、克雷伯氏菌(Klebsiellapneumonia)、芽胞杆菌(Bacillus sp.ATB-1015)、黄杆菌(Flavobacterium sp.LXA)、交替单胞菌(Alteromonas sp.M-1)、棒杆菌(Corynebacterium sp.ALY-1)、肠杆菌(Enterobacter-Cloacae M-1)、链霉菌(Streptomyces sp.ALG-5)等。此外,在少数的病毒和噬菌体中也发现了褐藻胶裂解酶。大部分产酶微生物生长条件特殊,产酶量低,分离困难。目前已有超过20种褐藻胶裂解酶的基因得到克隆和测序,并构建出多种重组褐藻胶裂解酶基因工程菌,但重组褐藻胶裂解酶基因工程表达水平较低,限制了酶的应用。因此,利用基因工程手段,进一步获得高产褐藻胶裂解酶工程菌,将推动褐藻胶裂解酶的发展及其应用拓展。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种褐藻胶裂解酶Aly-Cob及其编码基因。
本发明所提供的重组褐藻胶裂解酶Aly-Cob,通过构建Fosmid文库筛选得到,其氨基酸序列具有如下特征之一:
1)序列表中SEQ ID NO.2从氨基端开始的第1-352或第30-352位氨基酸残基序列;
2)对序列表中SEQ ID NO.2所示的氨基酸序列进行一个或几个氨基酸取代、缺失或添加而形成的具有褐藻胶裂解酶活性的氨基酸序列。
本发明还提供了褐藻胶裂解酶Aly-Cob的编码基因(命名为aly-cob),具有下述核苷酸序列特征之一:
1)序列表中SEQ ID NO.1的脱氧核糖核酸(DNA)序列;
2)编码序列表中SEQ ID NO.2氨基酸序列的脱氧核糖核酸(DNA)序列;
3)对序列表中SEQ ID NO.1的脱氧核糖核酸(DNA)序列进行一个或几个核苷酸取代、缺失或添加而得到的编码具有褐藻胶裂解酶活性的核苷酸序列。
本发明的重组褐藻胶裂解酶的氨基酸序列及其核苷酸编码序列也可以根据预测的Aly-Cob的氨基酸序列及其核苷酸编码序列人工合成获得。
本发明的第二个目的是提供含有所述的褐藻胶裂解酶基因的重组表达质粒和重组基因工程菌株。
所述的重组表达质粒,是携带编码所述内切褐藻胶裂解酶的基因的表达载体,是指大肠杆菌表达载体、酵母表达载体、枯草杆菌表达载体、谷氨酸棒杆菌表达载体、乳酸菌表达载体、链霉菌表达载体、噬菌体载体、丝状真菌表达载体、植物表达载体、昆虫表达载体、或哺乳动物细胞表达载体。所述大肠杆菌表达载体,可以是pET-21a(+)、pET-28a(+)、pET-32a(+)。所述枯草杆菌表达载体可以是pMA5。所述酵母表达载体可以是pPIC3.5k。所述谷氨酸棒杆菌表达载体可以是pDXW-10。
所述的重组基因工程菌株,是用于重组表达内切褐藻胶裂解酶的重组菌或转基因细胞系,是指大肠杆菌宿主细胞(如Escherichia coli BL21、Escherichia coli JM109、Escherichia coli DH5α等)、酵母菌宿主细胞(如Saccharomyces cerevisiae、Pichiapastoris、Kluyveromyces lactis等)、枯草杆菌宿主细胞(如Bacillus subtilis R25、Bacillus subtilis 9920等)、谷氨酸棒状杆菌(Corynebacterium glutamicum等)、放线菌宿主细胞(如Streptomyces spp.等)、丝状真菌宿主细胞(如Trichoderma viride,Trichoderma reesei,Aspergillus niger、Aspergillus nidulans等)、昆虫细胞(如Bombyx mori,Antharaea eucalypti等),哺乳动物细胞(如中国仓鼠卵巢细胞CHO,幼小仓鼠肾脏细胞BHK、中国仓鼠肺细胞CHL等)中的一种。
具体地,所述重组基因工程菌株可以是E.coli BL21pLysS/pET-28a(+)-aly-cob。
本发明的第三个目的是提供一种制备重组褐藻胶裂解酶Aly-Cob的方法,是将编码基因aly-cob克隆到表达载体,并导入宿主细胞,以获得重组褐藻胶裂解酶。例如,将构建好的重组菌E.coli BL21pLysS/pET-28a(+)-aly-cob接入液体LB中,37℃培养至OD600达0.8左右,加入终浓度为0.5mmol/L的IPTG诱导后,收集发酵上清,并收集菌体进行破碎,离心留取上清后与发酵上清合并,经纯化可得到重组褐藻胶裂解酶。
本发明采用构建Fosmid文库方法筛选得到一段褐藻胶裂解酶基因序列aly-cob,该基因编码区长1059bp,编码了352个氨基酸,其中1-29位氨基酸编码信号肽,30-352位氨基酸编码褐藻胶裂解酶,分子量约35kDa,属于多糖裂解酶7家族。
本发明在大肠杆菌中异源表达获得的Aly-Cob,以海藻酸钠为底物时,在45℃、pH8.0的条件下具有最高酶活性,既可降解聚古罗糖醛酸(PG)又可以降解聚甘露糖醛酸(PM),但对后者的特异性更强。液质分析表明,褐藻酸钠的降解产物主要为二、三、四糖,少量为五糖和六糖。该酶在1.5mol·L-1的NaCl和1mol·L-1的KCl条件下,酶活分别提高至原酶活的1.7和1.5倍。
本发明提供的褐藻胶裂解酶Aly-Cob可单独或与其他来源褐藻胶降解酶,或其他种类酶共同使用,用于制备褐藻寡糖或对含有褐藻酸盐的高粘原料进行降粘处理。
本发明的褐藻胶裂解酶可广泛用于化工、农业、食品和饲料添加、医药及海藻遗传工程等领域。
本发明的有益效果:
本发明提供的Aly-Cob是一种极具潜力的重组褐藻胶裂解酶,其优点主要体现在:(1)构建的重组菌酶活水平高,产酶周期短;(2)Aly-Cob粗酶液中杂蛋白含量少,易于分离纯化;(3)Aly-Cob具有较好的热稳定性,以及pH与盐的耐受性,在工业应用中具有优势;(4)Aly-Cob可用于高效制备褐藻寡糖及进行含藻酸盐原料的降粘处理。
附图说明
图1:褐藻胶裂解酶基因aly-cob PCR扩增
图2:褐藻胶裂解酶重组菌质粒双酶切验证
图3:重组褐藻胶裂解酶Aly-Cob的降解产物液相图
图4:重组褐藻胶裂解酶Aly-Cob的降解产物质谱图
具体实施方式
实施例1:褐藻胶裂解酶Aly-Cob全长基因克隆及分析
(1)针对海带产品生产加工厂中海带堆放处环境样品与生产废料的混合物,通过构建Fosmid宏基因组文库筛选得到编码褐藻胶裂解酶的基因。通过PCR扩增该基因,设计引物时在引物的5’端分别加上酶切位点BamH I和Hind III,引物序列为:
AlyC-F:5’-CGGGATCCATGCGTAACACCCGTGTGC-3’,用下划线标出的是BamH I酶切位点;
AlyC-R:5’-CCCAAGCTTTCATTGCATCTCACCGCTCT-3’,用下划线标出的是Hind III酶切位点。
PCR条件为:94℃预变性,3min;94℃,30s;58℃,30s;72℃,1min;共30个循环,最后72℃,10min。琼脂糖凝胶电泳显示在1.0kb左右有一条特异性条带(图1)。将其从琼脂糖凝胶上切下,采用DNA凝胶回收试剂盒进行纯化。
(2)将纯化的DNA片段连接到克隆载体pMD19-T上,转化至大肠杆菌JM109感受态细胞中,在LB平板(含有氨苄青霉素)上过夜培养,挑取单菌落液体培养后进行PCR验证,选择有条带的阳性克隆进行测序。
将测序结果于NCBI进行分析,结果显示该序列为褐藻胶裂解酶编码基因(命名为aly-cob),该基因编码区长1059bp,其核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示。将该基因序列在NCBI数据库中进行同源比对,发现该基因与Cobetia marina strain JCM 21022(NZ_CP017114)中预测的褐藻胶裂解酶编码序列相似度最高,可达90%,但基因NZ_CP017114的确切功能并未得到验证。
aly-cob编码的褐藻胶裂解酶Aly-Cob由352个氨基酸组成,其氨基酸序列如SEQID NO.2所示,蛋白质的理论分子量约为35.7kDa。用SignalP(https://www.plob.org/article/2404.html)分析褐藻胶裂解酶Aly-Cob的结构信息,结果显示N端开始至第29个氨基酸是信号肽序列,而第30-352位氨基酸属于多糖裂解酶7家族。将本发明褐藻胶裂解酶Aly-Cob的氨基酸序列与Cobetia sp.NAP1来源的褐藻胶裂解酶AlgC-PL7对比发现,二者相似度为92.33%。但二者无论在酶活还是酶学性质上均存在差异(实施例3)。由此推测,本发明获得的褐藻胶裂解酶为一种新酶,具有良好的研究与应用潜力。
实施例2:重组菌构建及产酶
重组菌E.coli BL21pLysS/pET-28a(+)-aly-cob的构建:用限制性内切酶BamH I和Hind III分别酶切目的基因序列aly-cob和质粒pET-28a(+),用T4连接酶连接后转化至E.coli BL21pLysS中。挑取单菌落进行液体培养后抽提重组质粒,对其进行PCR验证,并使用BamH I和Hind III进行双酶切验证。得到长度分别为5.3kb和1kb左右的两个片段,如图2,证明褐藻胶裂解酶基因已经成功克隆到表达载体pET-28a(+)上并转化至表达宿主E.coli BL21pLysS中,将此重组质粒命名为pET-28a(+)-aly-cob,重组菌命名为E.coliBL21pLysS/pET-28a(+)-aly-cob。
重组菌的诱导表达:将构建好的重组菌按1%的接种量接入液体LB(含卡那霉素和氯霉素)中,37℃培养至OD600达0.8左右,加入终浓度为0.5mmol/L的IPTG进行诱导,发酵结束后离心取上清;菌体用PBS清洗后重悬,超声破碎后离心留取上清;利用DNS法分别测定发酵上清及破碎上清中的褐藻胶裂解酶活力,二者加和为褐藻胶裂解酶酶活。结果显示,阴性对照(空载重组菌)未检测到酶活,重组菌E.coli BL21pLysS/pET-28a(+)-aly-cob的酶活为466U/mL。1个酶活力单位(U)定义为:1mL酶液每分钟产生1μg还原糖所需的酶量。
将目的基因序列aly-cob采用其他质粒或宿主进行表达,诱导表达方法参见E.coli BL21pLysS/pET-28a(+)-aly-cob,测定重组菌的酶活,结果见表1。本发明褐藻胶裂解酶Aly-Cob与文献报道的AlgC-PL7相比,二者表达体系相同(表达质粒为pET-28a(+),表达宿主为大肠杆菌BL21(DE3)),37℃培养条件下,Aly-Cob酶活力可达462U/mL,约为AlgC-PL7酶活(~30U/mL)的15倍。
表1褐藻胶裂解酶基因aly-cob在不同宿主及质粒上的表达情况
Figure BDA0001626445630000051
实施例3:重组褐藻胶裂解酶Aly-Cob的酶学性质研究
将重组菌E.coli BL21pLysS/pET-28a(+)-aly-cob进行诱导产酶,并对发酵得到的粗酶液纯化后进行酶学性质研究。
1)重组褐藻胶裂解酶Aly-Cob的最适温度及温度稳定性:将适当浓度的重组褐藻胶裂解酶Aly-Cob溶液分别在25~65℃下测定酶活力,将Aly-Cob酶液分别在上述不同温度中各保温30min,测定残留的酶活力,将最高酶活力定义为100%。另外,将Aly-Cob酶液分别在35、40、45、55、65℃水浴中保温。每10min取样测定样品残余酶活力,确定该酶在不同温度下的稳定性。最终确定重组褐藻胶裂解酶Aly-Cob的最适温度为45℃,在低于55℃时的半衰期均大于1.0h,在65℃下保温1.0h后仍有48.76%的相对酶活,说明该酶在低于55℃时热稳定性较好。
2)Na+和K+对重组Aly-Cob活性的影响:由于Na+和K+对Aly-Cob有明显的促进作用,因此在不同的NaCl和KCl浓度下(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0mol·L-1)于4℃孵育1.0h,在标准条件下测定残余酶活力,确定最佳的Na+和K+浓度及对酶产生抑制作用时NaCl和KCl浓度。将未添加任何金属离子作为空白对照组,设定其对应的酶活力为100%。结果显示,1.5mol·L-1的NaCl和1mol·L-1的KCl对重组酶的促进作用最大,在4mol·L- 1NaCl和3mol·L-1KCl的盐浓度下仍对重组酶无抑制作用。文献报道的Vibrio sp.YKW-34和Vibrio sp.QY105及菌株嗜盐白蚁菌WX所分泌的褐藻胶裂解酶最高耐NaCl浓度分别为0.1、0.6和0.68mol·L-1,对比说明Aly-Cob具有更高的耐盐性。
3)Aly-Cob的底物特异性:为研究该酶对不同底物的降解能力,分析该酶的底物特异性,主要选取的底物有褐藻酸钠、PM、PG。具体结果见表2,此结果表明该酶具有降解褐藻多糖的能力,对于褐藻多糖该酶既可以降解PG,又可以降解PM,因此判定该酶是一种双功能酶。
表2重组酶对不同底物的降解情况
Figure BDA0001626445630000061
根据图3、4可以看出,酶解110min后重组酶的降解产物有二、三、四、五、六糖,未检测到单糖产生,这与文献报道的重组酶AlgC-PL7在110min的降解产物不同,可见二者虽然在序列上相似度很高,但酶学性质上存在显著差异。
实施例4:重组褐藻胶裂解酶Aly-Cob在海带液降粘中的应用
将海带液3000r/min离心5min,取上清液,40℃下加入酶液,50mL海带液中加入重组褐藻胶裂解酶Aly-Cob总酶量2000U,酶解至还原糖量不变;再加入α-淀粉酶2000U,酶解2h至还原糖量不变。将酶解液离心10min后装入喷瓶中喷洒于植物茎叶表面,具有杀菌及促进植物根生长的作用。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上,但其并非用以限定本发明,任何熟悉此技术的人,在不脱离本发明的精神和范围内,都可做各种的改动与修饰,因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
SEQUENCE LISTING
<110> 江南大学
<120> 一种重组褐藻胶裂解酶及其构建方法及应用
<160> 4
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 1059
<212> DNA
<213> Unknown
<220>
<223> 从自然环境中筛选得到
<400> 1
atgcgtaaca cccgtgtgca ccaccccttg gtgacagcat ttctcctcgc tgccagtgca 60
gtcgccattt cagcaccggc tctggccaat gacactcccc ccggagagac attcgatctc 120
gatacctgga agctgactct tccgatggat gccgacggca atggcaaggt ggatgaaatc 180
aaggtcgccg atcttcagtc ctatcgtcac tctgactact tctatctcga cgatgattcc 240
catatggtct tcgtgacgcc caacaaggca ttcacgacac caaattcaag caatgcccgc 300
acggaactgc gccagatgct gcgtggcact gacaccagca tcggcaccca tgatccgaag 360
aacaacttcg cactcgcctc gaatcaacat gccgatgaat tcgctcagat aggcggctac 420
ctttccgcca ccctgcgagt ggaacatgtc gcggagcgtt cgaagaaacc agacaggaag 480
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<213> Unknown
<220>
<223> 从自然环境中筛选得到
<400> 2
Met Arg Asn Thr Arg Val His His Pro Leu Val Thr Ala Phe Leu Leu
1 5 10 15
Ala Ala Ser Ala Val Ala Ile Ser Ala Pro Ala Leu Ala Asn Asp Thr
20 25 30
Pro Pro Gly Glu Thr Phe Asp Leu Asp Thr Trp Lys Leu Thr Leu Pro
35 40 45
Met Asp Ala Asp Gly Asn Gly Lys Val Asp Glu Ile Lys Val Ala Asp
50 55 60
Leu Gln Ser Tyr Arg His Ser Asp Tyr Phe Tyr Leu Asp Asp Asp Ser
65 70 75 80
His Met Val Phe Val Thr Pro Asn Lys Ala Phe Thr Thr Pro Asn Ser
85 90 95
Ser Asn Ala Arg Thr Glu Leu Arg Gln Met Leu Arg Gly Thr Asp Thr
100 105 110
Ser Ile Gly Thr His Asp Pro Lys Asn Asn Phe Ala Leu Ala Ser Asn
115 120 125
Gln His Ala Asp Glu Phe Ala Gln Ile Gly Gly Tyr Leu Ser Ala Thr
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Ser Ala Tyr Ser Val Val Val Gly Gln Ile His Ala Gly Lys Asp Gln
165 170 175
Ala Leu Met Glu Ala Asp Glu Gly Phe Gly His Gly Asn Glu Pro Leu
180 185 190
Lys Ile Phe Tyr Lys Lys Leu Pro Asp Asp Lys Thr Gly Ser Val Phe
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210 215 220
Val Ser Tyr Ala Val Trp Gly Asn Asp Trp Ser Ser Asn Ala Asp Pro
225 230 235 240
Gly Lys Glu Gly Ile Ala Leu Gly Asp Thr Phe Ser Tyr Lys Val Glu
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275 280 285
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<212> DNA
<213> 人工序列
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cccaagcttt cattgcatct caccgctct 29

Claims (10)

1.一种编码褐藻胶裂解酶Aly-Cob的基因,其特征在于,其核苷酸序列具有如下特征之一:
1)如SEQ ID NO.1所示的脱氧核糖核酸序列;
2)编码SEQ ID NO.2所示氨基酸序列的脱氧核糖核酸序列。
2.一种褐藻胶裂解酶,其特征在于,SEQ ID NO.2从氨基端开始的第1-352或第30-352位氨基酸残基序列。
3.一种制备权利要求2所述的褐藻胶裂解酶的方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将褐藻胶裂解酶基因克隆到表达载体中,得到重组质粒;
(2)将重组质粒转化宿主菌,得到产褐藻胶裂解酶的基因工程菌。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤(1)所述的表达载体,是指大肠杆菌表达载体、酵母表达载体、枯草杆菌表达载体、谷氨酸棒杆菌表达载体、乳酸菌表达载体、链霉菌表达载体、噬菌体载体、丝状真菌表达载体、植物表达载体、昆虫表达载体、或哺乳动物细胞表达载体。
5.根据权利要求3或4所述的方法,其特征在于:所述宿主菌,是指包括Escherichiacoli BL21、Escherichia coli JM109或Escherichia coli DH5α在内的大肠杆菌宿主细胞、包括Saccharomyces cerevisiae、Pichia pastoris或Kluyveromyces lactis在内的酵母菌宿主细胞、包括Bacillus subtilis R25、Bacillus subtilis 9920在内的枯草杆菌宿主细胞、包括Corynebacterium glutamicum在内的谷氨酸棒状杆菌、包括Lacticacidbacteria COCC101在内的乳酸菌宿主细胞、包括Streptomyces spp.在内的放线菌宿主细胞、包括Trichoderma viride、Trichoderma reesei、Aspergillus niger、Aspergillusnidulans在内的丝状真菌宿主细胞、包括Bombyx mori,Antheraea eucalypti在内的昆虫细胞,或包括中国仓鼠卵巢细胞CHO、幼小仓鼠肾脏细胞BHK、中国仓鼠肺细胞CHL在内的哺乳动物细胞。
6.一种表达权利要求2所述的褐藻胶裂解酶的基因工程菌。
7.权利要求6所述基因工程菌在发酵产褐藻胶裂解酶中的应用。
8.权利要求2所述的褐藻胶裂解酶在降解褐藻酸盐中的应用,其特征在于,至少具有如下用途之一:
1)用于断裂褐藻酸盐的糖苷键,获得褐藻酸盐寡糖;
2)用于降解红藻或褐藻细胞壁中的褐藻酸盐组分,抽提原生质体。
9.如权利要求8所述的应用,其特征在于:权利要求2所述褐藻胶裂解酶与其他来源的褐藻胶降解酶,或其他种类的酶联合使用后,用于协同降解含有褐藻酸盐的高粘原料。
10.携带权利要求1所述基因的载体或基因工程菌。
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