棘孢曲霉绿原酸水解活性酶类的基因克隆表达及性质研究

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绿原酸水解活性酶类泛指可以水解绿原酸的一类酶,主要包括绿原酸水解酶和阿魏酸酯酶2类。绿原酸水解活性酶类可实现对绿原酸的生物降解,在食品和医药等行业有着广阔的应用前景。实验室前期筛得一株高产绿原酸水解活性酶类的曲霉属真菌SD14,其野生酶具有良好的稳定性和底物亲和力,但绿原酸水解活力较低(4.35 U/g)。本研究完成了对该菌株的全基因组测序,根据注释信息筛选,对可能编码绿原酸水解活性酶类的4个基因进行克隆,并实现其在大肠杆菌E.coli BL21(DE3)中的可溶性表达。经诱导条件优化,最终获得2个具有绿原酸水解活性的重组酶reFAE1和reFAE2,并进一步对其酶学性质进行探究。主要研究内容及结果如下:(1)交叉比较菌株SD14的ITS区、钙调蛋白和β-微管蛋白基因序列信息,构建系统发育进化树,提高菌种鉴别分辨率,最终确定其为棘孢曲霉(Aspergillus aculeatus),与日本曲霉(A.japonicus)亲缘关系近。采用第三代单分子测序技术完成了对该菌株的全基因组测序、组装和功能注释工作,所得基因组序列总长为36.18Mb,包含18条scaffolds,GC含量为50.11%,组装质量远超过已有报道。(2)以实验室筛得的曲霉属真菌(A.aculeatus SD14)的总RNA反转录获得的cDNA为模板,设计引物扩增获得基因组中可能具有绿原酸水解活性的4个注释基因(GME3292/7542/2693和11122),最终在E.coli原核表达系统中获得可溶性表达。其中2个基因工程菌GME3292-pET28a(+)/E.coli BL21(DE3)和GME11122-pET28a(+)/E.coli BL21(DE3)表达的重组酶检测到绿原酸水解活性,分别命名为reFAE1和reFAE2。(3)从诱导剂浓度、诱导时机、诱导温度和诱导时长4个方面对GME3292-pET28a(+)/E.coli BL21(DE3)和GME11122-pET28a(+)/E.coli BL21(DE3)进行诱导发酵条件优化,确定最佳诱导条件为:OD600=1.2,诱导温度为20°C,诱导时长为20 h,IPTG浓度分别为:0.04和0.02 mmol/L。最终绿原酸水解活力分别为246.37和340.95 U/g,是原始菌株的56.64和78.38倍,较已报道最高绿原酸水解酶活提高43%。(4)通过亲和镍柱层析色谱法对重组酶进行分离纯化,纯化所得reFAE1和reFAE2均为同源二聚体,其单体相对分子质量均在55 kDa左右。重组酶对4种模型底物均有水解活力,其中对咖啡酸甲酯的水解活性最高,香豆酸甲酯次之,阿魏酸甲酯和芥子酸甲酯的水解活性相对较低,对天然底物绿原酸的水解活性与香豆酸甲酯接近。根据底物特异性初步推测,reFAE1和reFAE2均属于C型阿魏酸酯酶。(5)reFAE1和reFAE2水解绿原酸的最适温度分别为60℃和50℃,最适pH均为7.0,在3050℃条件下具有良好的热稳定性。reFAE1和reFAE2分别在pH 3.08.0和pH 3.010.0条件下稳定。Mn2+和Ca2+对reFAE2有一定程度的激活作用。EDTA处理对重组酶绿原酸水解活性基本没有影响,一价金属离子对酶活无显著影响,二价金属离子会对酶活造成一定程度的抑制,三价金属离子处理后酶活损失严重。重组酶对绿原酸底物亲和能力较好,Km分别为79.85μmol和105.98μmol。
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