发明内容
本发明人通过数据库挖掘比对,筛选了上百条基因,从中选出了Thermotoga菌属的具有较高的活性和特异性的甘露糖6-磷酸磷酸酶,由此本发明的目的在于筛选得到具有较高的活性和特异性的磷酸酶用于催化甘露糖6-磷酸合成甘露糖的方法。
本发明提供用甘露糖6-磷酸合成甘露糖的方法,其采用如下所述的甘露糖6-磷酸磷酸酶M6PP,催化甘露糖6-磷酸合成甘露糖。所述磷酸酶选自下述之一:WP_101513072.1、WP_101510852.1、WP_041843828.1、WP_012644897.1、WP_008192576.1、WP_165304640.1、WP_038054438.1、WP_012895992.1、WP_012310432.1、ABQ46309.1;或者通过选自下述核苷酸序列所示的磷酸酶基因通过重组表达获得的磷酸酶: SEQ ID NO.11、SEQ ID NO.12、SEQID NO.13、SEQ ID NO.14、SEQ ID NO.15、SEQ ID NO.16、SEQ ID NO.17、SEQ ID NO.18、SEQID NO.19、SEQ ID NO.20。
本发明进一步提供转化淀粉及淀粉衍生物制备甘露糖的方法,构建多级酶联催化反应体系,实现转化淀粉合成甘露糖。所述多级酶联催化反应体系包括葡聚糖磷酸化酶,葡萄糖磷酸变位酶,双功能酶葡萄糖磷酸异构酶/甘露糖6-磷酸异构酶PGIMPI酶,甘露糖6-磷酸磷酸酶,异淀粉酶和4-葡聚糖转移酶,葡萄糖激酶,聚磷酸激酶和葡萄糖异构酶的酶组合;其中,所述甘露糖6-磷酸磷酸酶选自下述之一:WP_101513072.1、WP_101510852.1、WP_041843828.1、WP_012644897.1、WP_008192576.1、WP_165304640.1、WP_038054438.1、WP_012895992.1、WP_012310432.1、ABQ46309.1;或者通过选自下述核苷酸序列所示的磷酸酶基因通过重组表达获得的磷酸酶: SEQ ID NO.11、SEQ ID NO.12、SEQ ID NO.13、SEQ IDNO.14、SEQ ID NO.15、SEQ ID NO.16、SEQ ID NO.17、SEQ ID NO.18、SEQ ID NO.19、SEQ IDNO.20。
所述反应体系中,淀粉的浓度为1-500 g/L,磷酸盐浓度为1-100 mM,葡聚糖磷酸化酶用量为0.1-1000U/mL,葡萄糖磷酸变位酶用量为0.1-1000U/mL,双功能酶葡萄糖磷酸异构酶/甘露糖6-磷酸异构酶为0.1-1000U/mL,甘露糖6-磷酸磷酸酶用量为0.1-1000U/mL。
优选的淀粉浓度为100 g/L,磷酸盐浓度为20 mM, 葡聚糖磷酸化酶用量为10U/mL,葡萄糖磷酸变位酶用量为10U/mL,双功能酶葡萄糖磷酸异构酶/甘露糖6-磷酸异构酶用量为10U/mL,甘露糖6-磷酸磷酸酶10U/mL。
所述酶催化的反应条件为10-80℃,反应时间为1-120小时;优选为50℃,反应48-96小时。
为了进一步提升转化率,淀粉可经异淀粉酶处理或者直接添加至反应体系中,异淀粉酶的添加量为0.1-1000U/mL,优选0.5 U/mL。
进一步提升转化率,反应体系中可添加4-葡聚糖转移酶,4-葡聚糖转移酶用量为0.1-1000U/mL,优选0.5 U/mL。
为了进一步提升转化率,葡萄糖激酶,聚磷酸激酶和葡萄糖异构酶,葡萄糖激酶的用量为0.1-1000U/mL,葡萄糖异构酶用量为0.1-1000U/mL,聚磷酸激酶用量为0.1-1000U/mL,优选葡萄糖激酶用量为0.5 U/mL,葡萄糖异构酶用量为0.5 U/mL,葡萄糖异构酶用量为0.5 U/mL。
本发明还提供一种体外多酶级联转化蔗糖合成甘露糖的方法,通过构建多酶级联催化反应体系,实现转化蔗糖合成甘露糖。所述多酶体系包含有蔗糖磷酸化酶,葡萄糖磷酸变位酶,双功能酶葡萄糖磷酸异构酶/甘露糖6-磷酸异构酶,甘露糖6-磷酸磷酸酶,葡萄糖异构酶,葡萄糖激酶,聚磷酸激酶组成的酶组合;所述甘露糖6-磷酸磷酸酶选自下述之一:WP_101513072.1、WP_101510852.1、WP_041843828.1、WP_012644897.1、WP_008192576.1、WP_165304640.1、WP_038054438.1、WP_012895992.1、WP_012310432.1、ABQ46309.1;或者通过选自下述核苷酸序列所示的磷酸酶基因通过重组表达获得的磷酸酶: SEQ ID NO.11、SEQ ID NO.12、SEQ ID NO.13、SEQ ID NO.14、SEQ ID NO.15、SEQ ID NO.16、SEQ IDNO.17、SEQ ID NO.18、SEQ ID NO.19、SEQ ID NO.20。
所述反应体系中,蔗糖的浓度为1-500 g/L,磷酸盐浓度为1-100 mM,蔗糖磷酸化酶用量为0.1-1000U/mL,葡萄糖磷酸变位酶用量为0.1-1000U/mL,双功能酶葡萄糖磷酸异构酶/甘露糖6-磷酸异构酶用量为0.1-1000U/mL,甘露糖6-磷酸磷酸酶用量为0.1-1000U/mL,葡萄糖异构酶用量为0.1-1000U/mL,葡萄糖激酶用量为0.1-1000U/mL,聚磷酸激酶用量为0.1-1000U/mL。
优选的蔗糖的浓度为340 g/L,磷酸盐浓度为50 mM,蔗糖磷酸化酶用量为10 U/mL,葡萄糖磷酸变位酶用量为10 U/mL,双功能酶葡萄糖磷酸异构酶/甘露糖6-磷酸异构酶用量为10 U/mL,甘露糖6-磷酸磷酸酶10 U/mL,葡萄糖异构酶10 U/mL,葡萄糖激酶用量为10U/mL,聚磷酸激酶用量为10 U/mL。
所述酶催化的反应条件为10-80℃,反应时间为1-120小时;优选为37℃,反应24小时。
本发明人通过数据库挖掘筛选Thermotoga菌属具有较高的活性和特异性的甘露糖6-磷酸磷酸酶,并经过实验进行验证表明其效果优异。此外,通过多酶体系的构建实现了能够高效的催化淀粉或蔗糖为底催化合成甘露糖,效果十分显著。
具体实施方式
以下结合实施例进一步详述本发明。
本发明及实施例中提到的百分比浓度如无特别说明均为质量/质量(W/W,单位g/100g)百分比浓度、质量/体积(W/V,单位g/100mL)百分比浓度或体积/体积(V/V,单位mL/100mL)百分比浓度。
下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法,具体步骤可参见:《Molecular Cloning: A Laboratory Manual》(Sambrook,J.,Russell, David W.,Molecular Cloning: A Laboratory Manual,3rd edition,2001,NY,Cold SpringHarbor)。
各实施例中所用相同名称的材料或试剂如无特别说明即为相同的。实施例中描述到的各种生物材料的取得途径仅是提供一种实验获取的途径以达到具体公开的目的,不应成为实施本发明时对生物材料来源的限制。事实上,所用到的生物材料的来源是广泛的,任何不违反法律和道德伦理能够获取的生物材料都可以按照实施例中的提示替换使用。
本发明中所用引物和基因由江苏金唯智生物技术有限公司合成。
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,实施例将有助于理解本发明,但是本发明的保护范围不限于下述的实施例。本领域技术人员应该理解的是,在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换,但这些修改或替换均落入本发明的保护范围。
实施例1 M6PP基因的获得和载体构建
通过数据库挖掘和功能表征,筛选获得了10个来源于Thermotoga菌属的磷酸酶是甘露糖6-磷酸磷酸酶,其氨基酸序列在NCBI中数据库的编号分别为WP_101513072.1(SEQID NO.1)、WP_101510852.1(SEQ ID NO.2)、WP_041843828.1(SEQ ID NO.3)、WP_012644897.1(SEQ ID NO.4)、WP_008192576.1(SEQ ID NO.5)、WP_165304640.1(SEQ IDNO.6)、WP_038054438.1(SEQ ID NO.7)、WP_012895992.1(SEQ ID NO.8)、WP_012310432.1(SEQ ID NO.9)、ABQ46309.1(SEQ ID NO.10)。
上述各甘露糖6-磷酸磷酸酶的氨基酸序列经密码子优化后,对应基因核苷酸序列分别如SEQ ID NO.11、SEQ ID NO.12、SEQ ID NO.13、SEQ ID NO.14、SEQ ID NO.15、SEQ IDNO.16、SEQ ID NO.17、SEQ ID NO.18、SEQ ID NO.19、SEQ ID NO.20所示。基因序列为,送至江苏金唯智生物技术有限公司及基因合成,并构建至表达载体pET-21a中,分别得到表达型重组质粒pET-M6PP072、pET-M6PP852、pET-M6PP828、pET-M6PP897、pET-M6PP576、pET-M6PP640、pET-M6PP438、pET-M6PP992、pET-M6PP432、pET-M6PP309。
实施例2 基因的表达和纯化
将分别含有上述14个甘露糖6-磷酸磷酸酶基因的重组质粒转入大肠杆菌中,进行外源表达及纯化。
以其中数据库标号为WP_101513072.1的磷酸酶为例,
(1)将大肠杆菌表达型重组质粒pET-M6PP072转入 E.coli BL21(DE3) 中,获得重组菌。
(2)挑单克隆至5mL LB 液体培养基中,37℃、220r/min 培养至OD600为 0.6-0.8。将 5mL LB 培养基中菌液转接至800mL 2YT 培养基中,37℃、220rpm 培养至OD600为0.6-0.8时,降温至16℃,加 IPTG 至终浓度0.5mM,诱导表达16h。
(3)将上述培养菌液收集到50 mL离心管中,5500r/min 离心15min;
(4)弃上清,用2 mL三乙醇胺缓冲液,pH 7.5,重悬菌体。
(5)破菌:采用高压低温破碎仪,在压力 1200bar,4℃条件下进行破菌2 次。4℃、20000r/min 离心45min。
(6)纯化:上清在70℃水浴下热处理20分钟,4℃、20000r/min 离心45min,取上清即得纯蛋白。
实施例3 M6PP酶活性测定
针对上述纯化获得的M6PP,分别测定其针对甘露糖6-磷酸的脱磷酸活性,酶活性测定体系包括如下:甘露糖6-磷酸 (20mM),Mg2+(1mM),磷酸盐缓冲液(pH 7.5,50 mM),酶(0.5 mg/mL),55℃,反应10min。酶活性定义(1U):每毫克M6PP每分钟催化生成甘露糖的量为1微摩尔。将样品进行高效液相色谱检测。
经计算分析获得M6PP的酶活性如表1所示,结果发现所筛选的10个磷酸酶WP_165304640.1;WP_041843828.1;ABQ46309.1;WP_012644897.1;WP_012310432.1;WP_038054438.1;WP_101510852.1;WP_008192576.1;WP_012895992.1和WP_101513072.1,其催化活性与专利CN201910126884.8公布的来源于海栖热袍菌Thermotoga maritima的M6PP(TmM6PP)(Q9WZB9)相比,均有不同程度提升。其中数据库编号为WP_165304640.1的磷酸酶催化甘露糖6-磷酸脱磷酸活性最高,达到4.0 U/mg,是TmM6PP酶活性的2.22倍。
表1酶活性测定结果
实施例4 体外多酶催化体系转化淀粉合成甘露糖
建立体外多酶催化体系转化麦芽糊精为甘露糖。体系中葡聚糖磷酸化酶GP,该酶催化麦芽糊精转化为葡萄糖1-磷酸;葡萄糖磷酸变位酶PGM,该酶催化1-磷酸葡萄糖转化为6-磷酸葡萄糖;双功能酶葡萄糖磷酸异构酶/甘露糖磷酸异构酶PGI/PMI,可直接催化葡萄糖6-磷酸转化为甘露糖6-磷酸,甘露糖6-磷酸磷酸酶M6PP,催化甘露糖6-磷酸脱磷酸生成甘露糖;在本发明中,葡聚糖磷酸化酶来源于Thermotoga maritima,基因在KEGG上的标号为TM1168,葡萄糖磷酸变位酶来源于Thermotoga maritima,基因在KEGG上的编号为TM0769;双功能酶葡萄糖磷酸异构酶/甘露糖6-磷酸异构酶PGI/MPI选择来源于Dictyoglomus thermophilum,其在UniProt上的标号为B5YEP3,磷酸酶M6PP选择数据库编号为WP_165304640.1的甘露糖6-磷酸磷酸酶。这些基因组DNA都可以从ATCC的官方网站(www.atcc.org)上获得。这四个基因分别用不同的引物从相应的基因组DNA中通过PCR获取,并通过酶切连接方法克隆到pET21载体中,获得相应的表达载体pET21-GP,pET21-PGM,pET21-PGI/MPI, pET21-M6PP。这五个质粒都转化至大肠杆菌BL21(DE3)(Invitrogen,Carlsbad,CA)中,并进行蛋白质表达和纯化。
为了提升转化率,体系中添加异淀粉酶IA,该酶催化淀粉脱支链生成直链淀粉;和4-葡聚糖转移酶,该酶催化麦芽二糖和麦芽三糖聚合生成长度聚合度更高的糊精,便于葡聚糖磷酸化酶GP进行催化。异淀粉酶来源于Sulfolobus tokodaii,基因在KEGG上的编号为ST0928,葡聚糖转移酶来源于Thermococcus litoralis,基因在KEGG上的编号为OCC_10078,上述两个基因分别用不同的引物从相应的基因组DNA中通过PCR扩增获取,并通过酶切连接方法克隆到表达载体pET21中,获得影响的重组表达载体pET21-IA和pET21-GT。这6个质粒都转化至大肠杆菌BL21(DE3)(Invitrogen,Carlsbad,CA)中,并进行蛋白质表达和纯化。
建立如下反应体系,30 mM磷酸缓冲液(pH 7.0),5 mM氯化镁,所述淀粉的浓度为100g/L,葡聚糖磷酸化酶用量为10U/mL,葡萄糖磷酸变位酶用量为10U/mL,葡萄糖磷酸异构酶/甘露糖6-磷酸异构酶PGIMPI用量为10U/mL,采用数据库编号为WP_165304640.1的甘露糖6-磷酸磷酸酶用量为10U/mL,异淀粉酶IA用量为0.5U/mL,葡聚糖转移酶4GT用量为0.5U/mL,在55℃进行催化反应,反应24小时,反应最终样品进行液相色谱检测。
反应结束后,最终获得甘露糖58g/L,转化率为58%。
为了进一步提升转化率,反应体系中添加了葡萄糖异构酶、葡萄糖激酶和聚磷酸激酶。葡萄糖异构酶来源于Thermus thermophilus,基因在Uniprot上的编号为P26997;葡萄糖激酶来源于Thermobifida fusca,基因在KEGG上的标号为Tfu_1811;聚磷酸激酶来源于Thermus thermophilus,基因在KEGG上的编号为TT_C0637;这些基因组DNA都可以从ATCC的官方网站(www.atcc.org)上获得。这三个基因分别用不同的引物从相应的基因组DNA中通过PCR获取,并通过酶切连接方法克隆到pET21载体中,获得相应的表达载体pET21-GI,pET21-PPK和pET21-PPGK。
将上述三个酶加入到反应体系中,甘露糖产量提升至90±2.5g/L,最终转化率达到90±2.5%。
实施例5 体外多酶催化转化蔗糖合成甘露糖
建立体外多酶催化体系转化蔗糖为甘露糖。这些关键酶包括:(1)蔗糖磷酸化酶SP,该酶催化蔗糖转化为葡萄糖1-磷酸和果糖,(2)葡萄糖磷酸变位酶PGM,该酶催化1-磷酸葡萄糖转化为6-磷酸葡萄糖;(3)双功能酶葡萄糖磷酸异构酶/甘露糖6-磷酸异构酶PGIMPI,可直接催化葡萄糖6-磷酸转化为甘露糖6-磷酸;(4)甘露糖6-磷酸磷酸酶M6PP,该酶催化甘露糖6-磷酸脱磷酸生成甘露糖;(6)葡萄糖异构酶GI,该酶催化果糖转化为葡萄糖;(7)葡萄糖激酶GK,该酶催化葡萄糖转化为葡萄糖6磷酸;(8)聚磷酸激酶PPK,该酶催化多聚磷酸和ADP反应再生ATP。
在本发明中,蔗糖磷酸化酶来源于Bifidobacterium adolescentis,基因在KEGG上的标号为A0ZZH6,其氨基酸序列经密码子优化后,基因序列具有大肠杆菌偏爱密码子后,送至江苏金唯智生物技术有限公司及基因合成,并构建至表达载体pET-21a中。这个质粒都转化至大肠杆菌BL21(DE3)(Invitrogen,Carlsbad,CA)中,并进行蛋白质表达和纯化,其他的酶同实施例4。
建立如下反应体系,30 mM磷酸缓冲液(pH 7.0),5 mM氯化镁,5mM ATP,250mM聚磷酸,所述蔗糖的浓度为100 g/L, 蔗糖磷酸化酶用量为10U/mL,葡萄糖磷酸变位酶用量为10U/mL,双功能酶葡萄糖磷酸异构酶/甘露糖6-磷酸异构酶PGIMPI用量为10U/mL,采用数据库编号为WP_165304640.1的甘露糖6-磷酸磷酸酶用量为10U/mL,葡萄糖异构酶用量为10U/mL,葡萄糖激酶用量为10U/mL,聚磷酸激酶用量为10U/mL,在50℃进行催化反应,反应24小时,反应最终样品进行液相色谱检测。
反应结束后,最终获得甘露糖85±1.8g/L,转化率85±1.8%。
<110> 中国科学院天津工业生物技术研究所
<120> 甘露糖的生物制备方法
<130>
<160> 20
<170> PatentIn version 3.5
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<212> PRT
<213> Thermotoga
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