海洋细菌Microbulbifer sp. AG1重组β-琼胶酶的酶学性质及D136N突变提高酶热稳定性的研究

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本论文选取从厦门集美红树林的泥土样品中分离得到的一株产琼胶酶的海洋细菌AG1作为研究对象,从中克隆到一个琼胶酶基因。对该琼胶酶基因进行了一系列生物信息学分析,并将该基因在大肠杆菌中异源表达,得到了重组琼胶酶。研究了该重组琼胶酶的酶学性质及酶解产物的抗氧化活性,并通过定点突变提高了该重组琼胶酶的热稳定性,主要结论如下:16S rRNA基因序列分析显示AG1属于产微球茎菌属(Microbulbifer sp.),命名为Microbulbifer sp.AG1。以菌株AG1的基因组为模板,使用琼胶酶引物进行PCR扩增,将扩增产物克隆至p MD18-T载体后进行测序。结果显示,克隆基因的大小为1302 bp,预测其所编码的蛋白质中有433个氨基酸残基。对该蛋白质进行相似性比对分析,预测该蛋白为属于GH16家族的琼胶酶。采用同源模建法构建了Microbulbifer sp.AG1琼胶酶的3D模型,富含β-折叠,整体结构由两个反向平行的β-片层组成,呈β-果冻卷状。通过定点突变分析,Microbulbifer sp.AG1琼胶酶的催化位点可能是147位和152位的谷氨酸。将不含信号肽片段的琼胶酶基因在E.coli BL21(DE3)中异源表达并纯化得到了75.6k Da的重组蛋白。该重组琼胶酶能够特异性地水解琼脂,可降解对硝基苯-β-D-吡喃半乳糖苷,而不降解对硝基苯-α-D-吡喃半乳糖苷,说明该重组琼胶酶是一种β-琼胶酶。使用琼脂糖作为底物,该重组琼胶酶的最适温度和p H值分别为60°C和7.5,重组琼胶酶在50°C和60°C下温育1 h后仍能分别保持67%和19%的残余酶活。重组琼胶酶对于除SDS和盐酸胍以外的抑制剂、去垢剂和尿素变性剂有着较好的抗性。Ba2+、Mn2+、Ni2+、Co2+、Cu2+、Zn2+、Fe2+、Al3+和Fe3+对重组琼胶酶活性有不同程度的抑制作用,K+和Ca2+对重组琼胶酶活性没有明显的影响。该酶使用琼脂糖作为底物的动力学参数Km、Vmax、kcat和kcat/Km分别为3.8 mg/m L、91.7 U/mg、3468.2635 s-1和913.143 s-1mg-1m L。利用薄层色谱法和MALDI-TOF-MS质谱法分析表明重组琼胶酶的主要水解产物为新琼四糖,且不同聚合度的酶解产物均具有抗氧化活性。采用定点突变的方法构建Microbulbifer sp.AG1重组β-琼胶酶的单点突变体D136N,突变体D136N的最适反应温度和p H值与野生型相同,但是其在60°C温育1 h后仍能保持约85%的残余酶活,与野生型相比具有较好的热稳定性。微观结构分析显示,与野生型琼胶酶相比,突变后136位的氨基酸残基与周围残基的氢键数增加1个。增加的氢键对突变体D136N热稳定性的提高可能有重要作用。
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