β-葡萄糖苷酶的耐受性分析及分子改造

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β-葡萄糖苷酶因对多种糖苷类化合物具有活性,可作用于多种生物活性物质,其水解产生的配基多为功能性苷元或芳香成分;有的β-葡萄糖苷酶还具有转糖苷活性,可转化生成功能性低聚糖,因此在食品保健,生物能源等领域具有广阔的应用前景。但由于实际生产过程中多数酶的产物耐受浓度低,酸碱或温度耐受能力差,极大地限制了其应用。本研究旨在筛选开发新型β-葡萄糖苷酶,结合分子动力学模拟对酶进行定向改造,提高其应用性能,进一步丰富β-葡萄糖苷酶酶系,为酶在不同应用领域的应用开发奠定了基础。利用毕赤酵母表达系统成功表达了来源于特异腐质霉和棘孢曲霉的β-葡萄糖苷酶,BglHi和BglAa,对其温度、pH和金属离子稳定性及葡萄糖耐受性等酶学性质进行分析。通过酶学性质的比较,发现特异腐质霉来源的β-葡萄糖苷酶BglHi具有良好的葡萄糖耐受性,当葡萄糖浓度为1 mol/L时仍能对酶的活力起促进作用;棘孢曲霉来源的β-葡萄糖苷酶BglAa在不同pH下的稳定性较BglHi的差异性更大。故以BglHi和BglAa为研究对象进行葡萄糖和pH耐受性的分析。结合分子动力学模拟,利用定点突变技术对BglHi进行分子改造,获得了 40株突变体,其中突变体A356P的酶活力及耐受能力均有提高,酶活力提高了 40.28%,400 mmol/L葡萄糖对其活力的促进作用为182.88%;突变体T333Q和T333K的耐受性提高,400 mmol/L葡萄糖对其促进作用分别为248.59%和260.78%;突变体F327Y和R280H的酶活力分别提高了 33.13%和31.52%。对变化原因进行分析发现突变位点氨基酸的变化使其与葡萄糖的结合能力更强,同时对蛋白的稳定性进行分析发现突变体的稳定性更好更易于行使催化能力,该数据对葡萄糖耐受机制的研究奠定了基础。在对不同底物转化能力的分析中发现BglHi可水解多数糖苷类化合物,如纤维二糖、虎杖苷和罗汉果苷等,并且葡萄糖存在时提高了对虎杖苷的水解能力,为酶法转化虎杖苷提供了生物材料,同时该酶还具有转糖苷能力,可转化葡萄糖和纤维二糖生成龙胆二糖和纤维三糖,拓宽了该酶的应用领域。对不同来源β-葡萄糖苷酶pH稳定性的分析中发现在酸性环境下其稳定性差异较大,结合分子动力学模拟分析得到在pH 2.0时酶蛋白BglAa结构的整体紧凑性下降,活性中心空间距离由8.33 (?)增大到15.24 A,使得活力降低,这些实验数据有利于酸耐受性新酶的合理开发。
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