CBH
2022-04-21
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2015年7月 l l4 第36卷第13期 Food Research And Development 食品研究与拜发 生物工程 DOI.10.3969 ̄.issn.1005-6521.2015.13.032 CBH II和EG IV的重构基因在里氏木霉中的 组成型表达 曾敏 ・2。邓丽瑜 ,汤新 ,刘刚 ,余少文 ・’ (1.深圳大学生命科学学院,深圳市微生物基因工程重点实验室,广东深圳518060;2.深圳大学生命科 学学院,深圳市海洋生物资源与生态环境重点实验室,广东深圳518060) 摘要:重构基因cbh2一linker—cD 表达的融合蛋白同时获得具有外切葡聚糖酶CBH II和内切葡聚糖酶EG IV 2种 催化活性,在纤维素降解等方面有着重要应用。本研究通过overlap PCR将里氏木霉丙酮酸脱羧酶(PDC)的启动子、 纤维二糖水解酶cbhl的信号肽、重构基因cbh2一linker—CD 和pdc终止子依次连接,以质粒pPICZctA为基本骨架, 构建表达载体pPIC—PCT。采用原生质体转化法将pPIC—PCT和含潮霉素抗性筛选标记的质粒pAN7—1共转里氏木 霉。SDS—PAGE分析表明,重构基因cbh2一linker—cD 实现了在里氏木霉中的组成型表达,测得重组木霉发酵上清液 的CMC 酶活最高达到4.08U/mL,是出发菌株的5.55倍,FPA酶活达到0.915U/mL,较出发菌株提高了43.6%。酶 学性质初步研究表明:粗酶液的最适pH为5.0,最适温度为50℃。 关键词:基因重构;外切葡聚糖酶II;内切葡聚糖酶IV;丙酮酸脱羧酶启动子 Construction of CBH H and EG IV for Homologous Protein Expression with Constitutive Promoter in Trichoderma Reesei ZENG Min ,Deng Li-yu ,TANG Xin ,LIU Gang1,YU Shao-wen , (1.College of Life Science,Shenzhen Key Laboratory of Microbial Genetic Engineering,Shenzhen University, Shenzhen 5 18060,Guangdong,China;2.College of Life Science,Shenzhen Key Laboratory of Marine Bioresources and Ecology,Shenzhen 5 1 8060,Guangdong,China) Abstract:The reconstructed gene cbh2-1inker-CD ̄4 gain two kinds of cellulase catalytic properties,which added the catalytic domain(CD)gene from eg4 to the 3 end of cbh2.The gene cbh2-linker-CD ̄was inserted between T.reesei QM9414 strong promoter PSpdc(including secreting signal peptide sequence)and terminator Tpdc,generating reconstuctred plasmid pPIC—PCT.The plasmid pPIC—PCT and plasmid pAN7-1 were transformed into T.reesei via an improved protoplast transformation.SDS-PAGE analysis showed that the fusion protein CBH lI-EG IV had successfully expressed in T.reesei.The CMC№activity of the T.reesei recombinants could reach 4.08 U/mL.which is 5.55一fold as hi gh as that of the host strain;the FPA cativity could reach 0.915 U/mL.which were increased by 43.6%.The cellulase characterization of recombinant showed that the optimum pH value was about 5.0.and the optimum reaction temperature was at 50℃. Key words:gene recombinati0n;ce1lobi0hydr0lase I1;endo-13-1,4-glucanase IV;pyruvate decarboxylase pro- moter 纤维素酶能有效降解纤维素,将其水解成葡萄 糖,广泛应用于纺织、食品加工、酿酒、造纸和饲料等领 基金项目:深圳市基础研究计划(JcYJ2O12O613115323982) 作者简介:曾敏(1988一),女(汉),硕士研究生,研究方向:酶工程。 通信作者 域,对解决环境污染和能源危机具有重大意义[1-21。纤 维素酶广泛存在于多种微生物中,其中里氏木霉( 一 choderma reesei)是目前研究最透彻的产纤维素酶模式 菌株【 ,它产生的纤维素酶主要由内切型葡聚糖酶 (endo—glucanases,EG)、外切型葡聚糖酶(exo—cel— 生物工程 曾敏,等:CBH II和EGⅣ的重构基因在里氏木霉中的组成型表达 lobiohydrolase,CBH)以及B一葡萄糖苷酶(B—Glucosi dase,简称BG)组成『5 ,它们通过协同作用降解纤维 素[sl。其中只有CBH可作用于纤维素结晶区域,从纤维 素分子的非还原端进行水解,而自然界中的木质纤维 素大都呈结晶状态,因此CBH在纤维素降解过程中的 作用非常重要。纤维素酶有2个活性区域:催化结构 域(catalytic domains,co)和纤维素结合结构域构(cel— luose—binding domains,CBD)t9- Ol,其中CD是纤维素酶 的“活性中心”,在水解过程中起着重要作用。 根据纤维素酶各组分间的协同作用研究,人们发 现适当改变各组分的比例可提高纤维素酶的降解效 率。近年来,从分子结构水平改造纤维素酶基因,提高 纤维素酶的生物学活性已经取得了重大进展。Lemos[111 等在基因cbh2和eg中增加CBD基因,提高了这两种 纤维素酶的活性。刘刚等㈣在eg4基因中增加一个其 自身的CD基因,使其重组蛋白活性提高了4倍。本实 验室在cbh2下游增加eg4的CD基因,得到含2个催 化结构域的重构基因cbh2一linker—CD增4。本研究将该 基因与里氏木霉丙酮酸脱羧酶的组成型强启动子(含 信号肽)融合,构建里氏木霉组成型表达转化系统,以 期得到可以高效表达融合蛋白CBH II—EG1V且具有 较高酶活力的重组木霉。 1材料与方法 1.1菌株及质粒 reesei QM9414、大肠杆菌E coli ToplOF’、质粒 pPICZaA、pAN7—1由本实验室保藏。pMD 1 8一T simple vector购自TaKaRa公司。质粒pPIC—cbh2,pPIC—eg4 由本实验室前期构建。 1.2培养基 Mandels基础培养基:Mandels营养盐浓缩液 100 mL几,Mandels微量元素浓缩液1.0 m王儿,无水葡 萄糖10 g/L,蛋白胨1.0 g/L,1 M的柠檬酸缓冲液 (pH4.5)50 mL/L,吐温80 1.0 g/L~2.0 g/L。 筛选培养基:含有STC和潮霉素100 txg/mL的 PDA培养基。其中,STC、葡萄糖和PDA培养基的其他 成分分为3部分各溶于约1/3的水中。 产酶培养基:50xMandels营养盐浓缩液20 m王儿, 1 000xMandels微量元素浓缩液1.0 m【/L,黄豆饼粉 50 g/L,1 M柠檬酸缓冲液(pH 4.5)50 mL/L,吐温8O 1.0 g/L一2.0 g/L,葡萄糖30g/L。 1.3表达载体pPIC—PCT的构建 分别以实验室前期构建的质粒pPIC—eg4、pPIC— cbh2为模板,根据NCBI公布es4、ebh2序列设计引 物,经PCR获得基因片段linke一、CD 和cbh2。依次 经双酶切连接至质粒pPICZotA,重构质粒pPIC—cbh2一 linker—CDeg4。 以里氏木霉基因组DNA为模板,根据Genebank 报道的序列设计引物,分别经PCR扩增获得纤维二糖 水解酶I信号肽序列Scbhl、丙酮酸脱羧酶启动子 Ppdc和终止子Tpdc序列。利用overlap PCR技术依次 连接PSpdc、cbh2一linker—cD 、Tpdc,构建表达载体 pPIC-PCT。 1.4里氏木霉的原生质体转化及筛选 表达载体pPIC—PCT经Xba I酶切纯化处理后,与 含潮霉素筛选标记的质粒pAN7—1共转 Reesei,主 要参照Penttila等的方法进行[131。取适量转化液涂布 到含有100 ̄g/mL潮霉素的PDA平板上,28℃培养 观察3 d~5 d至平板上长出菌丝,挑取单菌落菌丝转 接至100 I ̄g/mL潮霉素的PDA小平板上进行复筛, 28℃培养2 d,再转接至新鲜无抗性PDA小板上培养 7 d~10d。 1.5重组木霉的组成型表达 用无菌水刮取PDA培养平板上生长7 d的木霉 转化子孢子,接种至含潮霉素抗性的Mandels基础培 养基中,28℃,220 r/min振荡培养1.5 d~2 d。以5%的 接种量转接至产酶培养基中,28 oC,220 r/min,振荡培 养。11 000 r/min,离心10 min,收集上清,即为粗酶液, 每24 h取样一次检测粗酶液的酶活力。 1.6重组木霉的PCR鉴定 以重组木霉基因组DNA为模板,PCR扩增重构 基因cbh2一linker—cDeg4,以木霉基因组DNA为对照, 用1%琼脂糖凝胶电泳进行检测并测序。 1.7重组木霉表达产物的分析 SDS—PAGE电泳:取粗酶液进行SDS—PAGE,分析 融合蛋白CBH lI-EGIV的表达情况。 CMCNa酶活的测定:采用DNS法测定内切葡聚 糖酶的活性【l41,酶活力单位(u)定义为1 min水解生成 1 I ̄mol葡萄糖所需的酶量。取适当稀释后的粗酶液 0.5 mL与1%CMC—Na(用0.05 M柠檬酸缓冲液配制, pH4.8)于50℃水浴中反应30 arin,立即加入3 mL DNS终止酶反应,充分混匀,沸水浴5 rain,冷却,充分 混匀后测0D 。每组实验做3个重复。 滤纸酶活(FPA)的测定:取0.5 mL适当稀释后的 粗酶液、1 mL柠檬酸缓冲液(0.05 M,pH4.8)及50 mg的 滤纸条(Whatman NO.1)在5O℃水浴中反应30 min,立 即加入3 mLDNS终止酶反应,充分混匀,沸水浴5 min, 冷却,充分混匀后测OD 。每组实验做3个重复。 生物工程 曾敏,等:CBHⅡ和EGⅣ的重构基因在里氏木霉中的组成型表达 呈 赡 溢 呈 U pH 图6粗酶液的最适pH Fig.6 The optimum pH of crude enzyme 如图7所示,粗酶液的最适反应温度为5O c【=,在 5O℃一60℃范围内相对酶活较高,在70℃时还能保持 最高酶活的66.6%,当温度达到80℃时,酶活急剧 下降。 耋 囊 避 吞 吞 30 40 50 60 70 80 温度/℃ 图7粗酶液的最适温度 Fig.7 The optimum temperature of crude enzyme 3结论与讨论 纤维素酶应用广泛,但因酶活低、成本高等因素 不能进行大规模工业化生产和应用t堋。近年来,通过基 因工程技术来获得高活性、高产量的纤维素酶逐渐受 到重视。本研究对纤维素酶cbh2和eg4进行重构,获 得具有2个催化结构域的重构基因,它表达的蛋白具 有这2种纤维素酶组分的催化活性,在实际应用中具 有更广阔的前景。 里氏木霉能高效合成和分泌蛋白质,是高产纤维 素酶的代表菌种。它常使用cbhl启动子构建表达系 统 81,实现目的基因的同源或异源表达,但cbhl启动 子需要纤维素或乳糖的诱导才能调控目的基因的表 达。此外,诱导物也能诱导里氏木霉其它纤维素酶的 表达,加大了目的蛋白分离、纯化的难度。u等【・91通过 RT—qPCR技术从里氏木霉中筛选出可以使木聚糖酶 Ⅱ基因(xyn2)高效表达的pdc启动子,且里氏木霉分 泌的总蛋白中约83%是XYN2蛋白。WANG等 利用 pdc启动子调控康氏木霉纤维素酶转录激活因子xyrl 的表达,结果显著提高了纤维素酶的活性。pdc组成型 启动子所构建的表达系统无需诱导物,能在富含葡萄 糖的培养条件下启动基因的转录。里氏木霉自身分泌 蛋白较少,能有效解决目的蛋白的分离及纯化问题。 本研究利用pdc启动子实现了重构基因ebh2一linker— CD哪在里氏木霉中的组成型表达,其CMCNa酶活达 到4.08 U/mL,是出发菌株的5.55倍,FPA酶活达到 0.915 U/mL,较出发菌株提高了43.6%,大大提高了酶 活力。 综上所述,重构基因cbh2一linker—CD 在pdc启 动子的调控下,实现了在里氏木霉中的组成型高效表 达,且杂蛋白较少,容易提纯。酶学性质研究表明,粗 酶液的最适pH为5.0,最适反应温度为50 oC。cbh2一 linker—cD 同时具有cbh2和eg4的催化活性,在食 品、饲料、纺织等工业有着广泛应用前景。今后,我们 将对产酶培养基进行优化,通过改变对酶活影响较大 的3个因素(碳源、氮源、无机盐)来确定最优培养方 案,进一步提高该融合蛋白的酶活。今后将对该蛋白 进行纯化,并对其酶学性质做详细研究。 参考文献: 【1]邱雁临.纤维素酶的研究和应用前景[J].粮食与饲料工业,2001 (8):30-31 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