CN116949016B - 葡萄糖淀粉酶ga51及其突变体和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了葡萄糖淀粉酶GA51及其突变体和应用。本发明首先公开了葡萄糖淀粉酶GA51,其氨基酸序列为SEQ ID No.1所示。本发明进一步将葡萄糖淀粉酶GA51进行突变获得催化效率显著提升的突变体;具体的,将氨基酸序列为SEQ ID No.1所示的葡萄糖淀粉酶GA51分别进行A304S、G590S、A557S、L576T、I397V、N207A、A606S、D563N或D571S单位点突变获得了9个单位点突变体。酶活测定结果显示所有突变体的相对酶比活基本均为野生型的2倍以上,其中A557S相对酶比活最高,为葡萄糖淀粉酶GA51的2.88±0.03倍,突变体A557S的催化效率约为葡萄糖淀粉酶GA51的4.13倍。
Description
技术领域
本发明涉及葡萄糖淀粉酶及其突变体酶的突变体,尤其涉及葡萄糖淀粉酶GA51及其突变体和应用,属于葡萄糖淀粉酶及其应用领域。
背景技术
葡萄糖淀粉酶,简称糖化酶,系统命名为α-1,4-葡聚糖-葡萄糖水解酶(α-1,4-Glucan-glucohydrolase,EC.3.2.1.3),催化可溶性淀粉和相关低聚糖的非还原端的β-D-葡萄糖的释放。糖化酶广泛用于淀粉糖化、啤酒酿造、焙烤工业以及无害化处理秸秆等农业废弃物等。在双酶法制糖工艺中,糖化酶主要应用于糖化阶段。
为了配合第二步高温α-淀粉酶使用(95℃),通常需要提高葡萄糖淀粉酶的耐热性和催化效率,以提高效率和节约成本。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种葡萄糖淀粉酶GA51及其编码基因;
本发明的目的之二是将葡萄糖淀粉酶GA51进行突变获得突变体,所得到的突变体的催化效率相比野生型葡萄糖淀粉酶GA51有显著提升;
本发明的目的之三是提供葡萄糖淀粉酶GA51突变体的编码基因;
本发明的目的之四是提供含有葡萄糖淀粉酶GA51或其突变体的编码基因的重组表达载体以及含有该重组表达载体的重组宿主细胞。
本发明的目的之五是将所述的突变体应用于催化可溶性淀粉和相关低聚糖的非还原端的β-D-葡萄糖的释放。
本发明的上述目的主要是通过以下技术方案来实现的:
本发明的一方面是提供了一种葡萄糖淀粉酶GA51,其氨基酸序列为SEQ ID No.1所示。
本发明所提供的葡萄糖淀粉酶GA51的酶比活为9.32±0.13U/mg,在55℃时酶比活为最高酶比活的60%,在60℃酶比活为迅速升高为最高酶比活的90%,65℃达到最高酶比活,之后70℃和55℃酶比活相近,80℃时酶比活降为最高酶比活的10%。当pH升为3.5时,酶比活达到最大,pH从3.5到5时,酶比活缓慢下降,pH为4时,酶比活为最高酶比活的50%,在pH为5.5时酶比活几乎降为0。
本发明的再一方面是提供了葡萄糖淀粉酶GA51的编码基因。
本发明的另一方面是将葡萄糖淀粉酶GA51进行突变获得催化效率显著提升的突变体。
具体的,本发明将氨基酸序列为SEQ ID No.1所示的葡萄糖淀粉酶GA51分别进行A304S、G590S、A557S、L576T、I397V、N207A、A606S、D563N或D571S单位点突变获得了9个单位点突变体;优选的,SEQ ID No.1所示的葡萄糖淀粉酶GA51进行D571S、L576T、 A606S、A304S、G590S或A557S单位点突变所获得的单位点突变体。
酶活测定结果显示所有突变体的相对酶比活基本均为野生型的2倍以上,其中A557S相对酶比活最高,为野生型葡萄糖淀粉酶GA51的2.88±0.03倍。将GA51和突变体A557S纯化后进行动力学参数测定,结果表明突变体A557S的催化效率约为野生型葡萄糖淀粉酶GA51的4.13倍。
本发明所述氨基酸单位点突变“A557S”表示将SEQ ID No.1所示的氨基酸序列的第557位氨基酸由丙氨酸(A)突变成丝氨酸(S);其余的单位点突变的表述依此类推。
本发明中所述的9个单位点突变体的编码基因也属于本发明的保护范畴之内。
本发明的另一方面是提供了含有所述野生型葡萄糖淀粉酶GA51编码基因或其突变体的编码基因的重组表达载体或重组宿主细胞;其中,所述重组表达载体可以为重组原核表达载体或重组真核载体。
本发明的另一方面是提供制备葡萄糖淀粉酶GA51或其突变体的方法,包括:
(1)将葡萄糖淀粉酶GA51编码基因或葡萄糖淀粉酶GA51突变体编码基因可操作的与表达调控元件连接构建得到重组表达载体;
(2)将重组表达载体转化宿主细胞,培养宿主细胞,诱导表达重组蛋白,纯化,即得。
本发明的另一方面是本发明提供了野生型葡萄糖淀粉酶GA51或其突变体在催化可溶性淀粉或相关低聚糖的非还原端的β-D-葡萄糖的释放中的用途。
本发明所涉及到的术语定义
除非另外定义,否则本文所用的所有技术及科学术语都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所了解相同的含义。
术语“突变”和“突变体”在此具有它们的常用含义,指的是在核酸或多肽序列中的遗传的、天然存在的或引入的变化,它们的意义与本领域人员通常所知的意义相同。
术语“宿主细胞”或“重组宿主细胞”意指包含本发明多核苷酸的细胞,而不管使用何种方法进行插入以产生重组宿主细胞,例如直接摄取、转导、f配对或所属领域中已知的其它方法。外源性多核苷酸可保持为例如质粒的非整合载体或者可整合入宿主基因组中。
术语“转化”指真核细胞由于外源DNA掺入而获得新的遗传标志的过程。
附图说明
图1 为葡萄糖淀粉酶GA51 SDS-PAGE蛋白电泳分析和酶比活测定结果;其中,A为葡萄糖淀粉酶GA51SDS-PAGE蛋白电泳分析,B为葡萄糖淀粉酶GA51酶比活测定结果。
图2 为葡萄糖淀粉酶GA51的酶学性能检测结果;其中,A为葡萄糖淀粉酶GA51的最适温度检测结果,B为葡萄糖淀粉酶GA51的最适pH测定结果。
图3 为葡萄糖淀粉酶GA51 SDS-PAGE蛋白电泳分析结果;注:M: Marker ;WT:GA51 ;1: A304S ;2:G590S ;3: A557S ;4: L576T ;5: I397V;6:N207A;7: A606S ;8:D563N; 9: D571S。
图4 为葡萄糖淀粉酶GA51突变体的相对酶比活测定结果。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步描述本发明,本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的,并不对本发明的范围构成任何限制。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的细节和形式进行修改或替换,但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1 葡萄糖淀粉酶GA51基因的挖掘
利用生物信息学方法从UniParc数据库中直接挖掘得到糖化酶GA51,并将其构建到酵母表达载体Ppic9γ上,转化毕赤酵母进行异源表达。初筛实验中挑取100个克隆子,得到的粗酶液进行初步酶活测定,结果显示GA51的阳性率为59%。选取GA51酶活最高的转化子进行酵母复筛。对发酵液上清经过纯化浓缩后进行SDS-PAGE蛋白电泳分析,如图1所示,GA51蛋白为单一条带,条带大小与理论值相符(图1 A),酶比活为9.32±0.13U/mg(图1 B)。
试验例1葡萄糖淀粉酶GA51的酶学性能检测试验
试验方法
为了更好了解葡萄糖淀粉酶GA51的温度和pH等酶学性质,本试验测定了葡萄糖淀粉酶GA51的最适pH和最适温度。
在55-70℃范围内,对定量后的糖化酶蛋白稀释一定倍数后,每隔5℃进行糖化酶酶活力的测定,以确定其最适反应温度,每个反应三个平行,以最适温度下酶比活定义为100%,其他温度下酶比活与最适温度下酶比活比值为相对酶比活,使用Graphpad Prism8.0对测定结果分析。
在pH3-5.5范围内,每隔0.5使用柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液进行糖化酶酶活力的测定,以确定其最适pH,每个反应三个平行,以最适pH下酶比活定义为100%,其他pH下酶比活与最适pH下酶比活比值为相对酶比活,使用Graphpad Prism8.0对测定结果分析。
试验结果
葡萄糖淀粉酶GA51的最适温度如图2 A所示,在55℃时酶比活为最高酶比活的60%,在60℃酶比活为迅速升高为最高酶比活的90%,65℃达到最高酶比活,之后70℃和55℃酶比活相近,80℃时酶比活降为最高酶比活的10%。
葡萄糖淀粉酶GA51的最适pH如图2B所示,在pH为3时酶比活几乎为0,当pH升为3.5时,酶比活达到最大,pH从3.5到5时,酶比活缓慢下降,pH为4时,酶比活为最高酶比活的50%,在pH为5.5时酶比活几乎降为0。
试验例2对葡萄糖淀粉酶GA51进行突变提高催化效率试验
利用本发明人实验室已有的提高糖苷水解酶催化效率的突变体设计模型MECE,对GA51进行理性设计。选择排名前9的突变体进行构建和酵母表达(表1)。
表1 基因突变位点
异源表达结果显示葡萄糖淀粉酶GA51及九个突变体蛋白为单一条带,条带大小与理论值相符(图3)。
试验例3 葡萄糖淀粉酶GA51及其突变体的催化效率检测试验
试验方法
对九个葡萄糖淀粉酶突变体蛋白定量后,在最适温度65℃和最适pH3.5条件下进行酶比活测定:
对纯蛋白用3,5-二硝基水杨酸溶液法(DNS法)测酶活。反应体系由2%可溶性淀粉和0.2M柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液1:1混合为0.9 mL和0.1 mL 稀释的酶溶液组成。其中,将可溶性淀粉溶于水后煮沸10min进行糊化,0.2M柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液由0.2M柠檬酸和0.4M磷酸氢二钠混合成相应的pH。在最适反应温度反应30min,加入1.5mLDNS终止反应,煮沸5min后置于冰水混合物中降温,于OD540nm下读值,每个反应三个平行。
将野生型葡萄糖淀粉酶GA51和突变体A557S纯化后在65℃、pH3.5下进行动力学参数测定:
在最适反应温度和最适pH条件下,将糖化酶稀释相应的倍数,在不同浓度的底物中测定酶活力。底物终浓度分别为0.2 mg/mL,0.3 mg/mL,0.5mg/mL,0.8 mg/mL,1 mg/mL,1.3 mg/mL,1.8mg/mL,2 mg/mL,2.5 mg/mL,3.5 mg/mL,5 mg/mL,7.5 mg/mL。使用双倒数作图法拟合米氏方程并得出K m、k cat和V max的数值。
试验结果
将野生型葡萄糖淀粉酶酶比活定为100%,试验数据显示所有葡萄糖淀粉酶突变体的相对酶比活基本均为野生型葡萄糖淀粉酶的2倍以上,其中突变体A557S相对酶比活最高,为野生型葡萄糖淀粉酶的2.88±0.03倍(图4)。
表2葡萄糖淀粉酶GA51和突变体A557S动力学参数测定
动力学参数测定结果表明突变体A557S的催化效率约为野生型葡萄糖淀粉酶GA51的4.13倍。
Claims (8)
1.葡萄糖淀粉酶GA51的突变体,其特征在于,所述突变体是将氨基酸序列为SEQ IDNo.1所示的葡萄糖淀粉酶GA51分别进行A304S、G590S、A557S、L576T、I397V、N207A、A606S、D563N或D571S单位点突变所获得的单位点突变体。
2.根据权利要求1所述的突变体,其特征在于,所述突变体是将氨基酸序列为SEQ IDNo.1所示的葡萄糖淀粉酶GA51进行D571S、L576T、 A606S、A304S、G590S或A557S单位点突变所获得的单位点突变体。
3.权利要求1所述的突变体的编码基因。
4.含有权利要求3所述的编码基因的重组表达载体。
5.根据权利要求4所述的重组表达载体,其特征在于,所述的重组表达载体是重组原核表达载体或重组真核载体。
6.权利要求3所述的编码基因在制备重组葡萄糖淀粉酶中的用途。
7.一种制备权利要求1所述的突变体的方法,其特征在于,包括:
(1)将权利要求1所述的突变体的编码基因可操作的与表达调控元件连接构建得到重组表达载体;
(2)将重组表达载体转化宿主细胞,培养宿主细胞,诱导表达重组蛋白,纯化,即得。
8.权利要求1所述的突变体在催化可溶性淀粉的非还原端的β-D-葡萄糖的释放中的应用。
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