CN111154788B

CN111154788B - 一种海洋雪白链霉菌壳聚糖酶基因及其应用

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Publication number: CN111154788B
Application number: CN202010111392.4A
Authority: CN
Inventors: 杜昱光; 李建军; 陈彤; 程功; 焦思明; 任立世
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2020-02-24
Filing date: 2020-02-24
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2040-02-24
Also published as: CN111154788A

Abstract

本发明提供了一种海洋雪白链霉菌(Streptomyces niveus)壳聚糖酶基因及其应用。本发明根据大肠杆菌密码子的偏好性，对海洋雪白链霉菌(Streptomyces niveus)的壳聚糖酶编码基因(GenBank accession number:AQU65829.1)进行了优化，优化后的核酸序列与原始核酸序列的同源性为73.39％，该壳聚糖酶SnCSN在大肠杆菌BL21(DE3)中成功表达，获得的壳聚糖酶SnCSN能高效降解壳聚糖，获得壳二糖为主要产物的壳寡糖；并且对不同脱乙酰度的壳聚糖底物有较高的水解活性，获得不同脱乙酰度的复杂壳寡糖。本发明提供的壳聚糖酶可用于壳寡糖及几丁寡糖等的规模制备，具有良好的工业应用前景。

Description

一种海洋雪白链霉菌壳聚糖酶基因及其应用

技术领域

本发明属于微生物基因工程领域，具体地，本发明涉及一种海洋雪白链霉菌壳聚糖酶基因及其应用。本发明的壳聚糖酶可以用于催化壳聚糖制备壳二糖。

背景技术

壳聚糖酶(Chitosanases，EC.3.2.1.132)是一种糖苷水解酶，主要来源于古菌、细菌、真菌以及植物等，以内切方式催化水解部分乙酰化壳聚糖中的β-1,4-氨基葡萄糖苷键，生成壳寡糖。由于壳聚糖酶可以用于制备具有独特生物活性的物质-壳寡糖，因而在医药、食品、化妆品等领域有广泛的应用，也引起越来越多的科研人员对该酶的关注。按照糖活性酶数据库(Carbohydrate-Active enZYmes,CAZY)，壳聚糖酶在糖苷水解酶(GlycosideHydrolases，GH)家族5、7、8、46、75及80中均有分布，其中，家族46、75及80中仅包含壳聚糖酶。

在工业上，由于缺乏经济高效的特异性壳聚糖酶，往往使用蛋白酶及纤维素酶等非特异性商品酶类水解壳聚糖以制备壳寡糖。由于具有壳聚糖酶水解活性的酶类在这些商品酶中所占比例极低，用酶量较大，壳寡糖的生产成本也相应增加。因此，迫切需要研发出一系列经济高效的壳聚糖酶以满足工业壳寡糖生产的需求。

壳寡糖是一类聚合度一般为2-10、可溶于水的氨基糖类化合物，也是目前发现的自然界中唯一带正电荷的寡糖。研究证明壳寡糖具有杀菌、抗肿瘤、调节人体免疫、降血糖血脂、改善骨质疏松症以及神经保护等功效，极具开发潜力，已广泛应用于生物医药、保健食品、精细化工、农林畜牧等领域。

研究发现，壳寡糖的功能与聚合度有密切关系，如聚合度为2-3的壳寡糖具有爽口甜味，由于其降血糖的生理功能，且在人体内很少被消化道吸收，是糖尿病人和肥胖病人理想的功能性甜味剂；聚合度4-7的壳寡糖具有抑制癌细胞生长和转移的效果。

特定聚合度壳寡糖的主要制备方法包括化学法和酶解法。化学法虽然能够降解壳聚糖生成壳寡糖，但存在环境污染、过程繁琐、重复性差、产物聚合度不可控等弊端。酶法制备具有反应条件温和、催化效率高、重复性好、产物聚合度可控、绿色环保等优点。壳聚糖酶(Chitosanases，EC.3.2.1.132)是一种糖苷水解酶，主要来源于古菌、细菌、真菌以及植物等，以内切方式催化水解壳聚糖中的β-1,4-氨基葡萄糖苷键，生成壳寡糖。按照糖活性酶数据库(Carbohydrate-Active enZYmes,CAZY)，壳聚糖酶在糖苷水解酶(GlycosideHydrolases，GH)家族5、7、8、46、75及80中均有分布，其中，家族46、75及80中仅包含壳聚糖酶。

然而，目前的壳聚糖酶大多存在专一性差的问题，导致产物聚合度范围不可控。因此，获得能够专一性降解壳聚糖生成特定聚合度壳寡糖的壳聚糖酶，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。

发明内容

本发明目的在于提供一种海洋雪白链霉菌壳聚糖酶的基因及该基因表达的壳聚糖酶。

本发明的另一目的是提供包含一种海洋雪白链霉菌壳聚糖酶基因的重组载体以及高效表达壳聚糖酶的重组菌株。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种海洋雪白链霉菌壳聚糖酶基因，所述基因的核苷酸序列如SEQID NO.1所示。

本发明还提供了一种海洋雪白链霉菌壳聚糖酶SnCSN，所述海洋雪白链霉菌壳聚糖酶SnCSN由上述的基因表达而成。

根据本发明所述的海洋雪白链霉菌壳聚糖酶SnCSN，其中，该酶的氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示。

本发明还提供了包含上述海洋雪白链霉菌壳聚糖酶基因的重组表达载体，优选重组表达载体所用载体为质粒pET22b。

本发明还提供了包含上述重组表达载体的重组菌株。进一步优选地，所述重组菌株为大肠杆菌BL21(DE3)。

本发明的上述海洋雪白链霉菌壳聚糖酶SnCSN的制备方法，包括以下步骤：

1)构建表达编码海洋雪白链霉菌壳聚糖酶的基因序列，获得上述海洋雪白链霉菌壳聚糖酶基因，然后构建上述重组载体；

2)用步骤1)的重组载体转化宿主细胞，得到重组菌株；

3)培养重组菌株使其发酵，诱导壳聚糖酶表达；

4)回收并纯化所表达的壳聚糖酶。

本发明还提供了上述海洋雪白链霉菌壳聚糖酶基因在降解壳聚糖或几丁质中的应用。

优选地，本发明所述的表达载体为质粒pET22b-SnCSN，由壳聚糖酶基因和表达载体pET-22b载体组成。将所述表达壳聚糖酶基因的质粒pET22b-SnCSN导入到大肠杆菌BL21(DE3)菌株中进行高效表达，目的蛋白质的产量达到了～30mg/L，并通过体外实验证实了所述的壳聚糖酶SnCSN的酶活。

本发明的壳聚糖酶SnCSN可以用于高效催化降解壳聚糖制备聚合度2为主的壳二糖(>95％)，而壳三糖和壳四糖的比例非常低。具体方法：壳聚糖水解酶SnCSN水解高脱乙酰度(脱乙酰度>94％)壳聚糖制备壳寡糖时，可以得到聚合度2为主的壳二糖(>95％)，而其他聚合度寡糖的比例很低。

本发明所具有的优点：本发明的壳聚糖酶能够专一降解不同脱乙酰度壳聚糖的酶，为不同脱乙酰度壳聚糖的降解提供了一种工具酶。

本发明所述的壳聚糖酶可单独或者与其他壳聚糖酶或几丁质酶类组合用于壳聚糖及几丁质等的降解，从而制备获得壳寡糖或几丁寡糖。

附图说明

图1为本发明壳聚糖酶基因的表达质粒结构示意图。

图2为本发明表达壳聚糖酶SnCSN镍柱纯化的SDS-PAGE电泳图(框内的条带为纯化的目的蛋白质SnCSN)。

图3A为壳寡糖标准品的HPLC图(D：氨基葡萄糖)；

图3B为本发明表达壳聚糖酶SnCSN催化降解壳聚糖反应产物的HPLC图(D：氨基葡萄糖)。

图4为本发明表达壳聚糖酶SnCSN催化水解壳聚糖的LC-ESI质谱(D：氨基葡萄糖)

图5为本发明表达壳聚糖酶SnCSN催化水解脱乙酰度30％壳聚糖的MALDI-TOF质谱图(A：N-乙酰氨基葡萄糖；D:氨基葡萄糖)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案进行详细说明。以下采用的试剂和生物材料如未特别说明，均为商业化产品。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。

本发明中质粒提取采用OMEGA公司Plasmid Mini Kit I试剂盒(D6943-01)；BL21(DE3)感受细胞来自中国科学院过程工程研究所糖生物工程课题组。

实施例1壳聚糖水解酶SnCSN表达菌株的构建

本发明参照编码壳聚糖水解酶SnCSN的基因(GenBank No:AQU65829.1)，通过密码子优化，委托华大基因有限公司合成了编码壳聚糖水解酶(不包括信号肽)的基因，共有765个碱基，核甘酸序列如SEQ ID NO.1所示，克隆载体为pET22b，克隆位点BamHI和XhoI，载体抗性为氨苄青霉素(Amp)，优化物种E.coli(图1)。对携带表达质粒pET22b-SnCSN的大肠杆菌DH5α进行培养，使用Plasmid Mini Kit I试剂盒提取质粒，然后将表达质粒导入感受态大肠杆菌BL21(DE3)中，获得重组菌株。氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示，含有255个氨基酸，预测蛋白分子量为29.8kDa。

SEQ ID NO.1：

(1)序列特征

长度：765bp

类型：碱基序列

链型：双链

拓扑结构：线性

(2)分子类型：DNA

(3)假设：否

(4)反义：否

(5)最初来源：AQU65829.1

(6)特异性名称：海洋雪白链霉菌壳聚糖水解酶SnCSN基因SEQ ID NO.2：

(1)序列特征

长度：255

类型：氨基酸序列

(2)分子类型：蛋白质

(3)假设：否

(4)反义：否

(5)最初来源：AQU65829.1

(6)特异性名称：海洋雪白链霉菌壳聚糖水解酶SnCSN。

实施例2壳聚糖水解酶SnCSN的表达与检测

(1)配制含有Amp抗性的LB培养基：5g/L酵母提取物，10g/L胰蛋白胨，10g/L氯化钠，120℃灭菌20min，冷却到室温加入Amp使其终浓度100μg/mL。

(2)将实施例1得到的重组菌株，接种到含有Amp抗性的固体LB培养基上，37℃过夜培养，挑取单菌落接种到10mL含有Amp抗性的液体LB培养中，37℃，200rmp摇床培养24小时后，将上述菌液接种到600ml含有Amp抗性的液体LB培养中，37℃、200rmp床培养至OD_600nm＝0.6时，加入0.5mM IPTG，16℃、200rmp诱导表达12小时，4000rmp离心，收集菌体。

(3)取少量菌体进行SDS-PAGE分析，上清溶液中检测到目的蛋白质的表达。

实施例3壳聚糖水解酶SnCSN的表达、纯化与检测

(1)将实施例2收集到菌体，悬浮到缓冲溶液A(50mM Tri-HCl，pH 7.9，500mMNaCl)中进行超声破碎，12,000rmp离心收集上清，进行SDS-PAGE检测(图2)预测蛋白分子量29.8kDa。

(2)使用镍柱对上述蛋白进行纯化：

1.缓冲溶液A(50mM Tris/HCl,pH 7.9,0.5M NaCl)平衡柱子，流速1mL/min。

2.上样，流速1mL/min，收集穿透。

3.缓冲溶液A洗涤柱子，流速1mL/min，洗涤40mL，

4.缓冲溶液A+20mM咪唑洗脱，流速1mL/min，洗涤40ml，每4min收集一管。

5.G250检测收集样品，看最后一管是否还有蛋白被洗脱下来，若没有蛋白，则进行下一浓度咪唑洗脱

6.缓冲溶液A+200mM咪唑洗脱，流速1mL/min，洗涤40mL，每4min收集一管。

7.G250检测收集样品，看最后一管是否还有蛋白被洗脱下来，若没有蛋白则进行下一浓度咪唑洗脱

8.缓冲溶液A+500mM咪唑洗脱，流速1mL/min，洗涤40mL，每5min收集一管。

9.G250检测收集样品，看最后一管是否还有蛋白被洗脱下来，若没有蛋白，则进行下一浓度咪唑洗脱。

10.选取每个咪唑浓度洗脱蛋白含量高的组、原液、上样穿透、缓冲溶液A洗脱，进行SDS-PAGE分析(图2)。

合并比较纯的壳聚糖水解酶SnCSN酶组分，用14,000Da的透析袋进行透析。

在本实施例中，壳聚糖水解酶SnCSN在大肠杆菌中获得高效表达，纯化的蛋白质产量达到了～30mg/1L培养基，为壳聚糖水解酶的应用开发奠定了基础。

实施例4壳聚糖水解酶SnCSN水解高脱乙酰度壳聚糖制备聚合度2为主的壳二糖

称取0.05g壳聚糖(DDA，Degree of Deacetylation，脱乙酰度>94％)，加至10mL1.5％乙酸水溶液中，(pH 5-6)。充分溶解后，加入4mL纯化的壳聚糖水解酶SnCSN溶液，37℃下震荡反应24小时。反应结束后，加入等体积的乙腈，离心去除不容物，配置成浓度为2.5mg/mL的溶液，过滤后用于高效液相色谱及质谱分析。高效液相色谱仪连接蒸发光散射检测器用于壳寡糖的信号检测，使用XAmide色谱柱(华谱新创科技有限公司)对壳寡糖进行分离，乙腈浓度递减(70％-50％)方式洗脱，柱温为30℃，检测器气压23psi，流速：1mL/min。流动相为0.1M甲酸胺(pH 3.2)、乙腈及水溶液。洗脱时间：40min。结果如图3所示：产物为聚合度2-4的壳寡糖，主要产物为聚合度2为主的壳二糖(>95)，而壳三糖和壳三糖的含量非常低。并对降解产物进行LC-ESI质谱分析(图4)。

实施例5壳聚糖酶水解低脱乙酰度壳聚糖制备壳寡糖

称取0.05g壳聚糖(DDA：～30％)，加至10mL 1.5％乙酸水溶液中，(pH 5-6)。充分溶解后，加入4mL纯化的壳聚糖水解酶SnCSN溶液，37℃下震荡反应24小时。反应结束后，加入等体积的乙腈，离心去除不容物，配置成浓度为2.5mg/mL的溶液。由于该产物组分较为复杂，难以通过液相对组分进行有效分离，因此采用MALDI-TOF质谱方法对其组分进行分析。具体方法为：称取一定量制备的壳寡糖，配制成浓度为2mg/mL的水溶液，过滤后吸取1μL点样至样品板上，待其自然干燥后，加入1μL基质2,5-二羟基苯甲酸(DHB)溶液，待其干燥后使用autoflex Ⅲ smartbeam型MALDI-TOF质谱仪(Bruker公司)进行检测(正离子反射模式)。质谱检测结果如图5所示：为便于区分，以A代表N-乙酰氨基葡萄糖，D代表氨基葡萄糖，随后的数字代表含有该单糖的个数，二者加和为寡糖的聚合度。质谱方法可检测到聚合度3-13的寡糖。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

序列表

<110> 中国科学院过程工程研究所

<120> 一种海洋雪白链霉菌壳聚糖酶基因及其应用

<160> 2

<170> SIPOSequenceListing 1.0

<210> 1

<211> 765

<212> DNA

<213> Artificial

<400> 1

gttgctcatg ctgctccagg tgctgataga gctggtgcta ctgctgctgt tgttgctgct 60

cctggtttgg atgatccagc caagaaagaa atcgctatgc agttggtttc ctccgctgag 120

aactcttcat tggactggca aggtcagtac ggttacgttg aggatattgg tgacggtaga 180

ggttacactg ctggtatcat tggtttctgc tctggtactg gtgacatgtt ggacttggtt 240

gagttgtaca ctgagagaga gccagacaac cctttggctt cttacttgcc agctttgaga 300

gctgttgacg gtactgattc tcacgaaggt ttggacccag gttacccaga tgcttggaga 360

gaagctgctg ctgatccagc ttttagaact gctcaaaacg acgagagaga cagggtctac 420

tttaacccag ctgtctccag aggtaaagag gatggcgttg gtactttggg tcagttcatc 480

tactacgacg ccatcgttat gcacggtgat ggtaactctg acacctcatt ctccggtatc 540

agagagaggg ctttgaacca ggctagacca ccatctgaag gtggtgacga aactgcttac 600

ttgaacgctt tcttggacgc tagagtttgg gccatgaagc aagaagaagc tcacgaggac 660

acttccagag ttgatactgc tcagagagtt ttcctggacg ccggtaactt gaatttggac 720

cctccattgg attggaaggt ttacggtgag gacttccaca ttgga 765

<210> 2

<211> 255

<212> PRT

<213> Artificial

<400> 2

Val Ala His Ala Ala Pro Gly Ala Asp Arg Ala Gly Ala Thr Ala Ala

1 5 10 15

Val Val Ala Ala Pro Gly Leu Asp Asp Pro Ala Lys Lys Glu Ile Ala

20 25 30

Met Gln Leu Val Ser Ser Ala Glu Asn Ser Ser Leu Asp Trp Gln Gly

35 40 45

Gln Tyr Gly Tyr Val Glu Asp Ile Gly Asp Gly Arg Gly Tyr Thr Ala

50 55 60

Gly Ile Ile Gly Phe Cys Ser Gly Thr Gly Asp Met Leu Asp Leu Val

65 70 75 80

Glu Leu Tyr Thr Glu Arg Glu Pro Asp Asn Pro Leu Ala Ser Tyr Leu

85 90 95

Pro Ala Leu Arg Ala Val Asp Gly Thr Asp Ser His Glu Gly Leu Asp

100 105 110

Pro Gly Tyr Pro Asp Ala Trp Arg Glu Ala Ala Ala Asp Pro Ala Phe

115 120 125

Arg Thr Ala Gln Asn Asp Glu Arg Asp Arg Val Tyr Phe Asn Pro Ala

130 135 140

Val Ser Arg Gly Lys Glu Asp Gly Val Gly Thr Leu Gly Gln Phe Ile

145 150 155 160

Tyr Tyr Asp Ala Ile Val Met His Gly Asp Gly Asn Ser Asp Thr Ser

165 170 175

Phe Ser Gly Ile Arg Glu Arg Ala Leu Asn Gln Ala Arg Pro Pro Ser

180 185 190

Glu Gly Gly Asp Glu Thr Ala Tyr Leu Asn Ala Phe Leu Asp Ala Arg

195 200 205

Val Trp Ala Met Lys Gln Glu Glu Ala His Glu Asp Thr Ser Arg Val

210 215 220

Asp Thr Ala Gln Arg Val Phe Leu Asp Ala Gly Asn Leu Asn Leu Asp

225 230 235 240

Pro Pro Leu Asp Trp Lys Val Tyr Gly Glu Asp Phe His Ile Gly

245 250 255

Claims

1.一种海洋雪白链霉菌壳聚糖酶基因在降解壳聚糖或几丁质制备壳二糖中的应用，其特征在于，所述海洋雪白链霉菌壳聚糖酶基因的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示。

2.一种海洋雪白链霉菌壳聚糖酶在降解壳聚糖或几丁质制备壳二糖中的应用，其特征在于，所述海洋雪白链霉菌壳聚糖酶由核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示的海洋雪白链霉菌壳聚糖酶基因编码而成。

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述海洋雪白链霉菌壳聚糖酶的氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示。

4.根据权利要求2或3所述的应用，其特征在于，所述应用包括海洋雪白链霉菌壳聚糖酶的制备方法，包括以下步骤：

1)构建表达编码海洋雪白链霉菌壳聚糖酶的基因序列，获得核苷酸序列如SEQ IDNO.1所示的海洋雪白链霉菌壳聚糖酶基因，然后构建包含该基因的重组表达载体；

2)用步骤1)的重组表达载体转化宿主细胞，得到重组菌株；

3)培养重组菌株使其发酵，诱导壳聚糖酶表达；

4)回收并纯化所表达的壳聚糖酶。