灰盖鬼伞漆酶在毕赤酵母中的异源表达及其酶学特性分析

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漆酶(Laccase,苯二醇:氧氧化还原酶,EC l.10.3.2)是一种含铜的多酚氧化酶。其作用底物非常广泛,能氧化大量的酚类或非酚类物质。漆酶在造纸制浆、环境保护、能源领域、生物传感器和生物检测、食品工业和有机合成等方面具有非常高的潜在应用价值。漆酶的这些应用价值引起了越来越多的研究人员的兴趣。但现阶段漆酶主要来源于真菌的发酵,产量比较低,而且酶的活性也普遍不高,这些都限制了其大规模工业化应用。通过对漆酶基因进行改造,并异源高效表达是解决这一问题的途径之一。在灰盖鬼伞中有17个非等位漆酶基因已经被克隆并测序,不过到目前为止只有几个漆酶被纯化和功能分析。本研究根据灰盖鬼伞漆酶LCC1的蛋白序列(GenBank:AAS38574.1)和毕赤酵母密码偏爱设计了新的漆酶基因CCLCC1I,基因阅读框长度为1578bp,全长基因通过PTDS方法化学合成。采用毕赤酵母表达系统对该基因进行高效表达,并研究重组漆酶的酶学特性和在降解染料方面的能力。首先根据LCC1蛋白序列和毕赤酵母密码偏爱设计新的漆酶基因的核苷酸序列,再根据此序列设计一系列引物,用以合成目的基因。合成好的基因经大肠杆菌克隆并测序,结果显示基因序列与设计的完全一致。新的漆酶基因通过序列对比发现与原基因之间的核苷酸序列存在79.2%的同源性。将测序正确的漆酶基因CCLCC1I连接到pPIC9K表达载体上,通过电转法导入毕赤酵母细胞中,通过筛选获得高酶活的重组酵母菌株。该重组菌在发酵4天后蛋白表达量达到最高,为890mg/L,远高于在A. oryzae中异源表达的8.0-135mg/L。经过硫酸铵分级沉淀和Ni亲和层析分离纯化出单一的重组蛋白,SDS-PAGE电泳结果表明,其分子大小约为60kDa,含糖量约为8%。酶学特性研究表明,重组漆酶的Km和Vmax值分别为0.136mM和9,778μM min-1mg-1。重组漆酶的最适pH值为3.4,但在中性或碱性环境下更加稳定,在pH值小于3.4时重组漆酶的稳定性极差,在4℃保存24小时后,酶活仅剩6%,pH值为4.2时,剩余酶活迅速提高到74.1%。重组漆酶的最适温度为40-45℃,在35-50℃之间,酶活性都非常高,超过50℃后,酶活随温度升高逐渐降低。重组漆酶的热稳定性比较好,在低于50℃时,非常稳定;60℃温育60分钟后还剩余45.6%的酶活;当温度超过70℃后,重组漆酶的稳定性急剧下降,温育仅15℃后就只剩35.3%的酶活。Cu2+对重组漆酶没有促进作用,在10mM时反而抑制重组漆酶的活性。重组漆酶对Al3+,Fe3+,Fe2+,NaF和NaN3比较敏感,在10mM浓度下,Al3+,Fe3+和NaF处理后漆酶的残余活性仅剩27.1%,1.2%和33.9%。NaN3对重组漆酶的抑制效果极其明显,在1mM浓度下就能抑制其98.3%的活性,非常适宜作为漆酶反应实验的终止剂。Fe2+对重组漆酶的影响比较特殊,主要表现在,低浓度(0.1mM)下促进重组漆酶的活性,高浓度(0.2mM)下抑制其酶活,在0.3mM时,漆酶活性仅剩4.5%。对重组漆酶降解染料能力的研究发现,漆酶不能直接降解结晶紫和孔雀石绿,但在ABTS的参与下,其降解能力大大提高。在含有0.05mM的ABTS时,37℃处理60分钟,CV和MG的降解率分别达到77.7%和79.2%。随着ABTS浓度的增加,其降解速率会越快。通过本实验研究表明,经过改造的漆酶基因能在毕赤酵母中高效表达,而且重组漆酶CCLCC1I的表达量非常高,在中性和碱性环境稳定性高,该漆酶的热稳定性也比较优秀,而且也具有较好的降解染料的能力,为漆酶的高效表达和处理工业废水等应用奠定了酶学基础。
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