CN116426506A - 低温活性提高的β-木糖苷酶突变体D259G及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温活性提高的β‑木糖苷酶突变体D259G及其应用，涉及基因工程技术领域，该突变体的氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示，编码该突变体的基因的核苷酸序列如SEQ ID NO.2所示。突变体D259G的最适pH为4.5，最适温度为40℃，与氨基酸序列如SEQ ID NO.7所示的重组野生酶JB13GH39P28相比，突变体D259G的最适温度降低，在低温环境下有更高的催化活性，尤其可应用于有低温环境要求的生物技术领域，包括食品、酿酒、农业、污水处理等行业。
Description
技术领域
本发明涉及基因工程技术领域，具体涉及一种低温活性提高的β-木糖苷酶突变体D259G及其应用。
背景技术
木糖来源广泛，是普遍存在于自然界的五碳糖，在稻草、玉米芯、甘蔗渣等农副产品废弃物中含量较高。木糖是生产木糖醇的原料，经发酵产生生物乙醇；作为一种单糖，木糖不为人体提供能量，但甜度和风味与葡萄糖类似，符合食糖替代品的性能要求，木糖可作为无热量甜味剂使用；木糖还可以有效增强人体内双歧杆菌，表现出良好的保健效果。然而，除竹笋中含有游离状态的木糖外，绝大部分天然木糖是以大分子木聚糖的形式存在(尤新等.中国食品添加剂,2009(01):52-56.)。
工业上木糖主要通过水解农副产品废弃物来制取，由于木聚糖的异质性和复杂性，其完全降解需要一系列协同作用的酶。β-木糖苷酶在木聚糖降解为木糖的过程中起关键作用，β-木糖苷酶在低聚木糖的非还原末端发挥作用，进一步降解低聚木糖释放木糖，是唯一一种水解木二糖释放木糖单体的酶。因此β-木糖苷酶可应用在食品、酿酒、农业等领域。
实际应用中，一些操作工业在低温环境中开展，如乳制品制作、洗涤、污水处理一般在低温下进行，低温下的处理能降低营养损失、保证食品品质、降低能耗。酶在低温下的活性较低，不利于其在低温环境要求下的生物技术领域中的应用(ChenQMetal.TrendsinFoodScience&Technology,2022,125:126-135.)。
发明内容
本发明的目的是提供一种低温活性提高的β-木糖苷酶突变体D259G及其应用，该突变体在低温环境下有更高的催化活性，尤其可应用有低温环境要求的生物技术领域，包括食品、酿酒、农业、污水处理等行业。
为了达到上述目的，本发明提供了一种低温活性提高的β-木糖苷酶突变体D259G，该突变体的氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示，其最适温度为40℃，与氨基酸序列如SEQ IDNO.7所示的重组野生β-木糖苷酶JB13GH39P28相比，该突变体D259G的最适温度降低了10℃，其在10～40℃时的活性更高。
本发明还提供了上述低温活性提高的β-木糖苷酶突变体D259G的编码基因，该编码基因的核苷酸序列如SEQ ID NO.2所示。
本发明还提供了一种包含上述编码基因的重组质粒。
优选地，上述重组质粒选自pET-28a(+)。
本发明还提供了一种包含上述编码基因的重组菌。
优选地，上述重组菌选自大肠杆菌BL21(DE3)。
本发明提供的低温活性提高的β-木糖苷酶突变体D259G可被应用于有低温环境要求的生物技术领域，包括食品、酿酒、农业、污水处理等行业。
本发明的低温活性提高的β-木糖苷酶突变体D259G，解决了在低温环境下酶活性较低等问题，具有以下优点：
与氨基酸序列如SEQ ID NO.7所示的重组野生酶JB13GH39P28相比，突变体D259G的低温活性提高。重组野生酶JB13GH39P28的最适温度为50℃，在10℃、20℃、30℃、40℃、60℃和70℃时分别具有10.67％、23.94％、43.61％、69.58％、77.97％和19.49％的酶活；突变体D259G的最适温度为40℃，在10℃、20℃、30℃、50℃、60℃和70℃时分别具有17.41％、44.31％、75.04％、82.86％、39.62％和13.11％的酶活。在酶促反应体系中添加3.0～30.0％(w/v)的NaCl，野生酶JB13GH39P28的活性和稳定性几乎没有变化，且活性最高能到118.86％，而突变体D259G在3.0～15.0％(w/v)的NaCl中酶活提高到103.99％，在20.0～30.0％(w/v)的NaCl中，突变体D259G的活性下降到41.46％；经3.0～10.0％(w/v)的NaCl处理60min后，突变体D259G的酶活提高到102.61％，突变体D259G经15.0～30.0％(w/v)的NaCl处理60min后，剩余58.43％的酶活，该突变体的这种特性有利于酶的安全使用。本发明的低温活性提高的β-木糖苷酶突变体D259G可应用于食品、酿酒、农业、污水处理等行业，具有更广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明中重组野生酶JB13GH39P28和突变体D259G的SDS-PAGE分析结果。
图2为本发明中重组野生酶JB13GH39P28和突变体D259G在不同pH中活性对比结果。
图3为本发明中重组野生酶JB13GH39P28和突变体D259G在不同pH中稳定性对比结果。
图4为本发明中重组野生酶JB13GH39P28和突变体D259G的热活性对比结果。
图5为本发明中重组野生酶JB13GH39P28和突变体D259G在NaCl中的活性对比结果。
图6为本发明中重组野生酶JB13GH39P28和突变体D259G在NaCl中的稳定性对比结果。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中所用到的部分实验材料和试剂：
1)菌株及载体：大肠杆菌EscherchiacoliBL21(DE3)购于北京博迈德基因技术有限公司；pET-28a(+)表达载体来源于江苏苏州泓迅生物科技有限公司。
2)酶类及其它生化试剂：pNPX购自Sigma公司；Nickel-NTA蛋白纯化树脂购自QIAGEN公司；QuickMutationTM基因定点突变试剂盒购自碧云天生物技术公司；Dpn1消化酶购自Takara生物技术公司；其他都为国产试剂(均可从普通生化试剂公司购买得到)。
3)培养基：LB培养基：Peptone10g，Yeastextract5g。NaCll0g，加蒸馏水至1000mL，pH自然(约为7)。固体培养基在此基础上加2.0％(w/v)琼脂。
说明：以下实施例中未作具体说明的分子生物学实验方法，均参照《分子克隆实验指南》(第三版)J.萨姆布鲁克一书中所列的具体方法进行，或者按照试剂盒和产品说明书进行。
实验例1重组野生β-木糖苷酶JB13GH39P28表达载体的构建和转化
1)从GenBank中下载氨基酸序列如SEQ ID NO.3所示的β-木糖苷酶JB13GH39(编号为AZC12019.1)及其核苷酸序列如SEQ ID NO.4所示的编码基因jb13gh39(编号为MG838204.1)，去除jb13gh39编码信号肽的序列(第1-57位核苷酸)后，委托苏州泓迅生物科技股份有限公司对jb13gh39编码成熟肽的序列(第58-1614位核苷酸)进行密码子优化，结果序列的GC含量由60％降低至48％，将密码子优化后所获得的目的片段命名为jb13gh39p28，其核苷酸序列如SEQ ID NO.5所示，其长度为1557bp，也可以通过基因合成得到jb13gh39p28。
2)通过PCR的方式在jb13gh39p28的5’和3’端分别引入限制性酶切位点NcoⅠ(5’CCATGG3’)和XhoⅠ(5’CTCGAG3’)，得到序列nxjb13gh39p28，其核苷酸序列如SEQ ID NO.6所示，通过限制性酶酶切上述产物和表达载体pET-28a(+)，将nxjb13gh39p28和pET-28a(+)的酶切产物通过连接酶连接，获得包含nxjb13gh39p28的重组质粒nxjb13gh39p28-pET-28a(+)。
3)以nxjb13gh39p28-pET-28a(+)为模板，设计2条突变引物(F1和R1)，具体序列如下所示。通过PCR去除重组时在C端组氨酸标签前引入的1个亮氨酸和1个谷氨酸序列，PCR反应参数为：95℃变性30sec；然后95℃变性15sec，70℃退火15sec，72℃延伸3min30sec，30个循环；72℃保温5min。最终获得包含jb13gh39p28的重组质粒jb13gh39p28-pET-28a(+)，重组后的jb13gh39p28形成的核苷酸序列如SEQ ID NO.8所示，编码重组野生酶JB13GH39P28的氨基酸序列如SEQ ID NO.7所示。
突变引物序列如下(5’→3’):
F1(SEQ ID NO.9)：
GAACGTAAACACCACCACCACCACCACTGAGAT
R1(SEQ ID NO.10)：
GTGGTGGTGTTTACGTTCTTTCGGTGCAATACT
4)将重组质粒jb13gh39p28-pET-28a(+)通过热激方式转化到大肠杆菌BL21(DE3)中，获得包含jb13gh39p28的重组菌株BL21(DE3)/jb13gh39p28。
实验例2突变体D259G表达载体的构建和转化
1)将实验例1中所得包含重组质粒jb13gh39p28-pET-28a(+)的重组菌株以0.1％含量接种于LB培养基中(含50μg/mL卡那霉素)，37℃下过夜培养，通过试剂盒提取质粒。
2)以重组质粒jb13gh39p28-pET-28a(+)为模板，设计2条突变引物(F2和R2)，具体序列如下所示。利用QuickMutationTM基因定点突变试剂盒进行突变，PCR反应参数为：95℃变性30sec；然后95℃变性15sec，70℃退火15sec，72℃延伸3min30sec，30个循环；72℃保温5min。PCR扩增得到包含核苷酸序列如SEQ ID NO.2所示的编码基因d259g的线性化重组质粒d259g-pET-28a(+)，该编码基因编码的突变体D259G，其氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示。d259g和d259g-pET-28a(+)也可以通过基因合成得到。
突变引物序列如下(5’→3’):
F2(SEQ ID NO.11)：
TGTCTGCTGGTCCGAATGCAATTATTGGCGAC
R2(SEQ ID NO.12)：
ATTCGGACCAGCAGACAGTTTGGTATCAGATTTACC
3)对PCR产物进行Dpn1酶消化，于37℃消化3h。
4)将消化产物通过热激方式转入大肠杆菌BL21(DE3)中，得到包含D259G编码基因d259g的重组菌株BL21(DE3)/d259g。
实验例3重组野生β-木糖苷酶JB13GH39P28和突变体D259G的制备
1)将实验例2中所得的重组菌株BL21(DE3)/jb13gh39p28和BL21(DE3)/d259g以0.1％的接种量分别接种于LB(含50μg/mL卡那霉素)培养液中，37℃、180rpm/min摇床中振荡16h进行活化。
2)将1)中活化的菌液以1％接种量分别接种到新鲜的LB(含50μg/mL卡那霉素)培养液中，于37℃、180rpm/min摇床中振荡培养约2-3h(OD600达到0.6-1.0)后，加入终浓度0.7mM的IPTG进行诱导，于20℃、160rpm/min摇床中继续振荡培养约20h诱导重组蛋白产生。
3)于4℃、6000rpm/min离心8min，收集菌体。用适量的pH＝7.0McIlvaine buffer悬浮菌体后，于低温水浴下超声波破碎菌体。以上胞内浓缩的粗酶液经12000rpm/min离心l0min后，吸取上清并用Nickel-NTAAgarose和0-500mM的咪唑分别亲和和纯化目的蛋白。两个纯化所得的蛋白SDS-PAGE结果如图1所示，其中M为蛋白质Marker，W为野生酶，D259G为突变体。结果表明，重组野生酶JB13GH39P28和突变体D259G得到了表达和纯化，产物为单一条带。
4)把样品体积量100倍的透析液(pH7.0McIlvainebuffer)加入透析装置。将透析袋(mw:14000)剪成适当长度(10-20cm)的小段，在沸水中煮沸30min后，用蒸馏水彻底清洗透析袋，将3)中得到的纯化的重组野生酶JB13GH39P28和突变体D259G分别装入透析袋，透析袋两端预留3-5cm的长度用透析夹夹住。将透析样品放在透析缓冲液中，置于4℃透析，每隔2小时更换透析液，更换3次。
实验例4重组野生β-木糖苷酶JB13GH39P28及突变体D259G的性质测定
1)重组野生酶JB13GH39P28和突变体D259G的活性分析
活性测定方法采用PNP法，以对硝基苯基-β-D-吡喃木糖苷(pNPX)为底物测定纯化的重组野生酶JB13GH39P28及突变体D259G的活性。将pNPX溶于缓冲液中，使其终浓度为2mM；反应体系含50μL酶液，450μL的含底物的缓冲液；底物在反应温度下预热5min后，加入酶液后再反应10min，然后加2mL1MNa2CO3终止反应，冷却至室温后在405nm波长下测定释放出的pNP的量；1个酶活单位(U)定义为每分钟分解底物产生1μmolpNP所需的酶量。
2)重组野生酶JB13GH39P28及突变体D259G在不同pH中的活性测定
将实验例3中纯化的酶置于pH3.0-7.0(3.0、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、7.0)McIlvainebuffer中，于37℃的条件下进行酶促反应，测定纯化的重组野生酶JB13GH39P28及突变体D259G的酶活。
重组野生酶JB13GH39P28和突变体D259G在不同pH中的活性对比结果如图2所示，结果表明，纯化的重组野生酶JB13GH39P28及突变体D259G的最适pH为4.5。
3)重组野生酶JB13GH39P28及突变体D259G在不同pH中的稳定性测定
将实验例3中纯化的酶置于pH3.0-10.0缓冲液中(pH＝3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0：McIlvainebuffer，pH＝9.0、10.0：1mol/LGlycine-NaOHBuffer)，在37℃下处理60min。按照酶活力测定方法，在pH＝4.5及37℃条件下进行酶促反应，以pNPX为底物，反应10min，测定纯化的重组野生酶JB13GH39P28及突变体D259G的酶活。
重组野生酶JB13GH39P28和突变体D259G在不同pH中稳定性对比结果如图3所示，结果表明，与重组野生酶JB13GH39P28相比，突变体D259G在碱性条件中的稳定性下降。在pH＝4.0-8.0条件下处理60min，野生酶JB13GH39P28及突变体D259G能保持80％以上的酶活，在pH＝9.0条件下处理60min，野生酶JB13GH39P28仍有84.64％的酶活，而突变体D259G的酶活下降至59.54％。
4)重组野生酶JB13GH39P28及突变体D259G的热活性测定
在pH＝4.5的缓冲液中，于0-70℃下进行酶促反应。以pNPX为底物，反应10min，测定纯化的重组野生酶JB13GH39P28及突变体D259G的酶活。
重组野生酶JB13GH39P28和突变体D259G的热活性对比结果如图4所示，结果表明，纯化的重组野生酶JB13GH39P28的最适温度为50℃，突变体D259G的最适温度为40℃。野生酶JB13GH39P28在10℃、20℃、30℃、40℃、60℃和70℃时分别具有10.67％、23.94％、43.61％、69.58％、77.97％和19.49％的酶活；突变体D259G在10℃、20℃、30℃、50℃、60℃和70℃时分别具有17.41％、44.31％、75.04％、82.86％、39.62％和13.11％的酶活，可知，该突变体D259G在10～40℃条件下活性显著提高。
5)重组野生酶JB13GH39P28及突变体D259G在NaCl中的活性测定在酶促反应体系中加入3.0～30.0％(3.0、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0、30.0)(w/v)NaCl，于pH4.5及37℃下进行酶促反应。以pNPX为底物，反应10min，测定纯化的重组野生酶JB13GH39P28和突变体D259G的酶活。
重组野生酶JB13GH39P28和突变体D259G在NaCl中的活性对比结果如图5所示，结果表明，在反应体系中加入3.0～30.0％(w/v)的NaCl，重组野生酶JB13GH39P28的酶活几乎没有损失，且活性最高能到118.86％。突变体D259G在3.0～15.0％(w/v)的NaCl中酶活提高到103.99％，反应体系中添加20.0～30.0％(w/v)的NaCl后，突变体D259G的活性下降到41.46％。
6)重组野生酶JB13GH39P28及突变体D259G在NaCl中的稳定性测定
将纯化的酶液置于3.0～30.0％(3.0、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0、30.0)(w/v)的NaCl水溶液中，在37℃下处理60min，然后在pH4.5及37℃下进行酶促反应，以未处理的酶液作为对照。以pNPX为底物，反应10min，测定纯化的重组野生酶JB13GH39P28和突变体D259G的酶活。
重组野生酶JB13GH39P28和突变体D259G在NaCl中的稳定性对比结果如图6所示，结果表明，经3.0～30.0％(w/v)的NaCl处理60min后，野生酶JB13GH39P28的酶活几乎没有损失；经3.0～10.0％(w/v)的NaCl处理60min后，突变体D259G的酶活提高到102.61％，经15.0～30.0％(w/v)的NaCl处理60min后，突变体D259G剩余58.43％的酶活。
综上可知，本发明提供的突变体D259G的最适pH为4.5，最适温度为40℃，与氨基酸序列如SEQ ID NO.7所示的重组野生酶JB13GH39P28相比，突变体D259G的最适温度降低，在低温环境下有更高的催化活性，同时该突变体的活性可被NaCl影响，尤其当反应体系中添加20.0～30.0％(w/v)的NaCl后，突变体D259G的活性下降到41.46％。该突变体的这种特性有利于酶的安全使用，尤其可应用有低温环境要求的生物技术领域，包括食品、酿酒、农业、污水处理等行业。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (7)
1.一种低温活性提高的β-木糖苷酶突变体D259G，其特征在于，该突变体的氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示，其最适温度为40℃，与氨基酸序列如SEQ ID NO.7所示的重组野生β-木糖苷酶JB13GH39P28相比，该突变体D259G在10～40℃时的活性更高。
2.如权利要求1所述低温活性提高的β-木糖苷酶突变体D259G的编码基因，其特征在于，所述编码基因的核苷酸序列如SEQ ID NO.2所示。
3.包含如权利要求2所述编码基因的重组质粒。
4.根据权利要求3所述的重组质粒，其特征在于，所述的质粒选自pET-28a(+)。
5.包含如权利要求2所述编码基因的重组菌。
6.根据权利要求5所述的重组菌，其特征在于，所述的菌选自BL21(DE3)。
7.如权利要求1所述低温活性提高的β-木糖苷酶突变体D259G在食品、酿酒、农业或污水处理行业中的应用。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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