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        鞘氨醇單胞菌的3-苯氧基苯甲酸降解酶定位及分子質(zhì)量確定*

        2014-12-16 08:02:26李建龍王志龍劉書亮姚開鄧維琴黃道梅賴海梅
        食品與發(fā)酵工業(yè) 2014年1期
        關(guān)鍵詞:氧基細胞膜條帶

        李建龍,王志龍,劉書亮,姚開,鄧維琴,黃道梅,賴海梅

        1(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,四川 雅安,625014)

        2(四川大學(xué)輕紡與食品學(xué)院,四川成都,610065)

        擬除蟲菊酯類農(nóng)藥具有高效、低毒、選擇性好等優(yōu)點,已在全世界范圍內(nèi)被廣泛使用。該類農(nóng)藥對光、熱具有穩(wěn)定性,自然條件下難迅速降解[1-2],長期接觸有致畸、致癌、致突變的危險[3-4]。3-PBA是大多數(shù)擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的分解產(chǎn)物之一[5-6],與擬除蟲菊酯類農(nóng)藥相比,在環(huán)境中的遷移速率更快,在土壤中的半衰期長達180 d左右[7],遠遠長于大多數(shù)擬除蟲菊酯殺蟲劑約30 d的半衰期。3-PBA對微生物的生長具有一定的抑制作用,能阻止擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的徹底降解,從而使得該類農(nóng)藥難以被生物降解為無毒小分子[8],因此3-PBA對生態(tài)環(huán)境和人類健康的潛在危害性較菊酯類殺蟲劑大[9]。微生物降解效率高、無二次污染,且可有效降低環(huán)境中的有毒污染物[10],但其降解效率可能低于其降解酶[11],且菌株產(chǎn)生的降解酶對環(huán)境條件的忍受范圍比菌體寬[12],酶又是一類蛋白質(zhì),安全性比微生物更高[13]。Chen等分離到多株可降解3-PBA的菌株,如Ochrobactrum lupini[14]、Streptomyces aureus[15]、Bacillus sp.[16]、Stenotrophomonas sp.[17],并研究了降解菌株的降解特性及降解途徑等,但未進行3-PBA降解酶研究;許育新等[18]分離到1 株P(guān)seudomonas sp.PBM11 菌株,24h可完全降解200 mg/L的3-PBA,并提取PBM11菌株的質(zhì)粒,推斷3-PBA降解酶基因可能位于質(zhì)粒上;邱吉國等[19]分離到1株可降解乙羧氟草醚的菌株(Pseudomonas sp.),乙羧氟草醚和3-苯氧基苯甲酸都含有二苯醚鍵結(jié)構(gòu),實驗中檢測到菌株細胞內(nèi)鄰苯二酚1,2-雙加氧酶對乙羧氟草醚有活性,推斷乙羧氟草醚降解途徑是先醚鍵斷裂然后脫去苯環(huán)上的側(cè)鏈,最終通過鄰苯二酚1,2-雙加氧酶裂解開環(huán)。

        本文針對1株可高效降解3-PBA的鞘氨醇單胞菌SC-1(在MM培養(yǎng)基中,30℃,16 h可將300 μg/mL 3-PBA完全降解),研究其產(chǎn)3-苯氧基苯甲酸(3-PBA)降解酶的細胞定位,并對該降解酶進行Native-PAGE和SDS-PAGE電泳,初步確定酶的分子質(zhì)量,為深入研究3-PBA降解酶提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        1.1.1 菌株

        鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas sp.)SC-1,由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品微生物實驗室分離保藏,可高效降解3-PBA(在MM培養(yǎng)基中,30℃,16 h可將300 μg/mL 3-PBA完全降解)。

        1.1.2 培養(yǎng)基

        LB固體培養(yǎng)基:酵母膏5 g;蛋白胨10 g;NaCl 10 g;瓊脂2 g;水1 000 mL;調(diào)pH值至7.0;加入3-PBA至終濃度 100 μg/mL。

        LB液體培養(yǎng)基作為發(fā)酵種子培養(yǎng)基。

        MM培養(yǎng)基:(NH4)2SO41.5 g;MgSO40.2 g;NaCl 0.5 g;KH2PO40.5 g;K2HPO41.5 g;蒸餾水1 000 mL;pH 7.5,3-PBA 濃度為 100 μg/mL。

        發(fā)酵培養(yǎng)基:(NH4)2SO41.5 g;MgSO40.5 g;NaCl 0.5 g;KH2PO40.5g;K2HPO41.5 g;葡萄糖5.0 g;酵母浸出粉5.0 g;水1 000 mL;調(diào)節(jié)pH值至7.0;加入3-PBA 至 100 μg/mL。

        以上培養(yǎng)基均121℃滅菌15 min。

        1.1.3 藥品及試劑

        3-苯氧基苯甲酸(98%),Sigma公司;檢測用乙腈(色譜純),德國CNW Technologies GmbH公司;丙烯酰胺,成都溶海公司;甲叉雙丙烯酰胺,Sigma公司;SDS,美國Amresco公司;TEMED(進口分裝);過硫酸銨,上海諾倫生物醫(yī)藥技術(shù)有限公司;考馬斯亮藍R-250,天根生化科技(北京)有限公司;蛋白質(zhì)分子質(zhì)量標準(低),天根生化科技(北京)有限公司;溴酚藍,天津市巴斯夫化工有限公司。

        PBS緩沖液:用 KH2PO4及 K2HPO4配制 0.02 mol/L、pH 7.0的磷酸鹽緩沖液。

        PBS底物緩沖液:將3-PBA充分溶于0.02 mol/L、pH 7.0的PBS緩沖溶液中,分別制成5 μg/mL及20 μg/mL的PBS底物緩沖溶液。

        其他化學(xué)試劑均為進口或國產(chǎn)分析純。

        1.1.4 主要儀器設(shè)備

        UV-3200紫外可見分光光度計,上海美譜達儀器有限公司;RZ-10L發(fā)酵罐,南京瑞澤生物工程設(shè)備有限公司;LC-10A2010C HT型液相色譜儀(配有可變波長紫外檢測器,LC-solution工作站),日本Shimazu公司;Gel Doc XR凝膠成像儀,BIO-RAD公司;Milli-Q Gradient超純水系統(tǒng),Millipore公司;Scientz-ⅡD超聲波細胞破碎儀,寧波新芝生物科技股份有限公司;DSHZ-300水浴恒溫多用途搖床培養(yǎng)箱,江蘇太倉市實驗設(shè)備廠。

        1.2 實驗方法

        1.2.1 3-PBA降解酶的細胞定位

        1.2.1.1 發(fā)酵液的制備

        從平板上挑取SC-1單菌落,劃線于LB斜面培養(yǎng)基上,30℃恒溫培養(yǎng)24 h。用無菌生理鹽水將SC-1菌苔從斜面培養(yǎng)基上洗脫并混勻制成菌懸液,接種1.0 mL SC-1菌懸液(菌濃度約為108CFU/mL)于30 mL發(fā)酵培養(yǎng)基中,30℃,180 r/min恒溫搖振培養(yǎng)24 h得種子液,將種子液按3%接種至發(fā)酵罐,發(fā)酵罐裝料系數(shù)0.65,接種量6.25%,起始pH 7.0,發(fā)酵溫度30℃,轉(zhuǎn)速控制在300 r/min,發(fā)酵罐壓維持在0.04~0.05 MPa,產(chǎn)泡較多時加少量無菌消泡油進行消泡。發(fā)酵培養(yǎng)24 h,得到SC-1發(fā)酵混合液。

        發(fā)酵結(jié)束后將SC-1發(fā)酵混合液冷凍離心(4℃,10 000 r/min,10 min),離心分別收集上清液及菌體沉淀,菌體沉淀用0.02 mol/L PBS緩沖液懸浮清洗2次后于-20℃低溫保存?zhèn)溆谩?/p>

        1.2.1.2 3-PBA降解酶初步定位

        胞外酶液:在冰水浴下,向500 mL的SC-1發(fā)酵上清液中緩慢加入烘干研細的(NH4)2SO4粉末,并同時利用磁力攪拌器進行攪勻,使(NH4)2SO4飽和度逐漸達到100%,4℃鹽析過夜。低溫冷凍離心(4℃,10 000 r/min,10 min)收集鹽析液中蛋白沉淀,用0.02 mol/L PBS緩沖液溶解蛋白沉淀,并于4℃條件下透析(透析袋截留系數(shù)MWCO=14 000)直至氯化鋇溶液檢測透析液中無SO42-,4 ℃條件下用聚乙二醇20000濃縮酶液至1 mL。

        胞內(nèi)粗酶液和菌體細胞碎片液:將SC-1菌體室溫解凍,稱取1.0 g濕菌體,按1 g菌體+4 mL PBS緩沖液的比例重懸,冰浴中超聲破碎(功率290 W,工作1 s,間歇3 s)菌懸液1 200 s,4 ℃10 000 r/min離心10 min,上清液為SC-1胞內(nèi)粗酶液。沉淀用PBS緩沖液重懸離心清洗2次,再向沉淀中加入4 mL PBS緩沖液重懸,即細胞碎片液。

        降解酶活力測定:取0.5 mL的20 μg/mL PBS底物緩沖液與0.4 mL PBS緩沖溶液混勻,30℃保溫10 min后加入粗酶液0.1 mL,水浴搖振反應(yīng)10 min,1 mL乙腈終止反應(yīng)。以加入酶液后立即用乙腈終止反應(yīng)的樣品為空白對照,HPLC檢測反應(yīng)體系中3-PBA殘留量。

        1.2.1.3 3-PBA 的檢測方法[8]

        樣品處理:色譜純乙腈終止體系反應(yīng)并定容至10 mL,混勻后10 000 r/min離心10 min,取上清液過有機相濾膜,棄去初濾液,取續(xù)濾液用于 HPLC檢測[8]。

        HPLC檢測條件:色譜柱:Gemini 100? C18柱(5.0 μm,150 mm ×4.60 mm,i.d.),流動相為 V(乙腈)∶V(磷酸水)=55∶45,磷酸水 pH=2.5,流速為0.7 mL/min,進樣量為10 μL,檢測波長為210 nm,柱溫 25 ℃[8]。

        3-苯氧基苯甲酸降解酶的酶活力定義:在本實驗條件下,1.0 min內(nèi)使3-PBA減少1.0 nmol所需要的酶量為1個酶活力單位(U)。

        3-PBA殘留量(μg/mL)計算:

        式中:Cx,3-PBA殘留量;C0,樣品中3-PBA初始濃度;Sx,樣品中殘留3-PBA的峰面積;S0,樣品中初始3-PBA的峰面積。

        1.2.1.4 細胞膜片段的分離

        將重懸后的細胞碎片液于冰水浴中超聲破碎(功率290 W,工作1 s,間歇3 s)1 200 s。向10 mL透明離心管中加入1 mL 37%蔗糖溶液,再用注射器緩慢向37%蔗糖溶液底部注入3 mL 41%蔗糖溶液,使之形成清晰的蔗糖梯度濃度界面。取0.4 mL破碎細胞碎片液沿管壁緩慢旋轉(zhuǎn)加入至蔗糖溶液表面,4℃離心(12 000 r/min,20 min),收集蔗糖梯度界面層霧狀細胞膜[20]。4℃透析除去霧狀細胞膜中的高濃度蔗糖溶液,4℃條件下用聚乙二醇20000濃縮至少量細胞膜懸浮液。收集蔗糖密度梯度離心的細胞碎片,用PBS緩沖液清洗離心2次,再恢復(fù)細胞碎片至蔗糖密度梯度離心前原體積。

        分別向0.5 mL細胞膜濃縮液和0.1 mL細胞碎片懸液中加入0.5 mL 5 μg/mL PBS緩沖液,補足反應(yīng)體系至1.0 mL,30℃水浴、搖振反應(yīng)2 h后,1 mL乙腈終止反應(yīng)。以加入PBS底物緩沖液后立即用乙腈終止反應(yīng)的樣品為空白對照,HPLC檢測反應(yīng)體系中3-PBA殘留量。

        1.2.2 3-PBA降解酶分子質(zhì)量的初步確定

        1.2.2.1 Native-PAGE分離膜蛋白及切膠回收作3-PBA降解反應(yīng)

        將密度梯度離心所得的細胞膜片段懸浮液置于冰水浴中超聲破碎 (功率50 W,工作1 s,間歇3 s)2 400 s,破碎后置于透析袋(透析袋截留系數(shù)MWCO=14 000)中,于4℃用聚乙二醇20000濃縮至少量膜片段懸液。

        取Native-PAGE樣品緩沖液50 μL與膜片段懸液樣品200 μL混合,不經(jīng)離心取樣品混合液直接上樣。恒定電壓90 V電泳至樣品進入分離膠,提高電壓至120 V電泳,待溴酚藍接近膠邊緣0.5 cm處,電泳結(jié)束,取一塊凝膠用蛋白染色液進行染色1 h,脫色液脫色,直至出現(xiàn)清晰條帶;另一塊凝膠用Native-PAGE電泳緩沖液浸泡,4℃暫存。

        凝膠配方參見《蛋白質(zhì)純化技術(shù)及應(yīng)用》[21](表1)。

        取另一塊Native-PAGE凝膠,比對蛋白染色后的凝膠分別對電泳條帶進行切膠回收。取相同重量的聚丙烯酰胺凝膠分別研碎,加入0.5 mL 5 μg/mL PBS底物緩沖液及3.0 mL PBS緩沖液,30℃水浴搖振反應(yīng)24 h,以加入蛋白染色無條帶的凝膠反應(yīng)體系為空白對照。色譜純乙腈終止反應(yīng)并定容至10 mL體系,HPLC檢測反應(yīng)體系中3-PBA殘留量。

        表1 Native-PAGE凝膠配方Table 1 Gel composition of Native-PAGE gel

        1.2.2.2 3-PBA降解酶SDS-PAGE

        切膠回收作3-PBA降解反應(yīng)時,有3-PBA降解活性的蛋白條帶,將此條帶凝膠切成小塊,完全浸沒于含SDS-PAGE電泳緩沖溶液的透析袋中,于水平電泳槽上對凝膠中的蛋白進行電泳洗脫(電壓200 v,洗脫時間8 h)。離心電泳洗脫液得上清液,于4℃條件下用聚乙二醇20000濃縮至少量,取SDS-PAGE樣品緩沖液50 μL與濃縮后樣品200 μL混合,沸水浴5 min,10,000 r/min 離心 5 min,直接取樣品混合上清液上樣,電泳及染色同Native-PAGE。

        SDS-PAGE凝膠制備參見《蛋白質(zhì)純化技術(shù)及應(yīng)用》[21](表 2)。

        表2 SDS-PAGE凝膠配方Table 2 Gel composition of SDS-PAGE gel

        2 結(jié)果與分析

        2.1 3-PBA降解酶的細胞定位

        鞘氨醇單胞菌SC-1細胞不同部位3-PBA降解酶活性如圖1所示??梢钥闯?,活細胞菌懸液的3-PBA降解酶活性最高,胞外粗酶液、胞內(nèi)粗酶液及細胞碎片粗酶液均有3-PBA降解酶活性,但3-PBA降解酶活性主要集中于細胞碎片中,胞外粗酶液及胞內(nèi)粗酶液的活性較低,這可能與粗酶液制備時的菌體細胞及碎片殘留于胞外、胞內(nèi)粗酶液有關(guān)。

        圖1 菌株SC-1細胞不同部位3-PBA降解酶活性Fig.1 Activity of 3-PBA-degrading enzymes from different parts of SC-1

        鞘氨醇單胞菌SC-1細胞膜降解3-PBA的HPLC色譜圖如圖 2 所示,1#、2#、3#、4#、5#為非目標峰(培養(yǎng)基雜質(zhì)峰或細菌代謝產(chǎn)物峰),6#為目標峰(3-PBA),出峰時間為7.21 min。SC-1細胞碎片再次破碎并經(jīng)蔗糖密度梯度離心等多步處理后,其分離得到的細胞膜對3-PBA仍有一定的降解酶活性,且有疑似降解產(chǎn)物苯酚的生成[8],說明在鞘氨醇單胞菌SC-1中3-PBA降解酶位于細胞膜上。而細胞碎片懸液對3-PBA降解率高于細胞膜懸液可能是:(1)超聲處理雖然能使部分細胞膜從碎片上剝離下來,但細胞碎片上仍吸附有細胞膜;(2)雖經(jīng)過超聲波細胞破碎,但由于未能完全破碎菌體,因此細胞碎片中仍有完整的活細胞;(3)將細胞膜剝離后其穩(wěn)定性降低。

        圖2 鞘氨醇單胞菌SC-1細胞膜降解3-PBA的HPLC色譜圖Fig.2 The chromatogram of degrading 3-PBA by the cytomembrane of Sphingomanas sp.SC-1

        2.2 鞘氨醇單胞菌SC-1中3-PBA降解酶的分離

        將蔗糖密度梯度離心后得到的細胞膜再次破碎濃縮,并對其進行Native-PAGE電泳后染色(圖3),針對染色后的主要條帶將未染色凝膠進行切膠回收,破碎后的細胞膜電泳時出現(xiàn)多條蛋白條帶。

        圖3 鞘氨醇單胞菌SC-1細胞膜Native-PAGE圖Fig.3 The Native-PAGE diagram of the cytomembrane of Sphingomanas sp.SC-1

        Dehmel等[22]得出蛋白質(zhì)在Native-PAGE中的遷移率主要取決于它所帶電荷及分子大小,因此對分離膠中疑似降解酶的條帶a、b及c進行切膠回收和3-PBA降解反應(yīng)?;厥盏鞍讞l帶降解3-PBA的HPLC色譜圖如圖4所示,7#、8#、9#為非目標峰(雜質(zhì)峰),10#為目標峰(3-PBA),出峰時間為7.21 min,條帶a及條帶b未檢測有3-PBA降解活性,條帶c在24 h內(nèi)對0.5 mL、5 μg/mL 3-PBA的降解率為22.23%,仍具有一定的降解活性,見圖4。

        圖4 回收蛋白條帶降解3-PBA的HPLC色譜圖Fig.4 The chromatogram of degrading 3-PBA by the protein recovered

        對Native-PAGE凝膠中的條帶c進行切膠回收,條帶c經(jīng)電泳洗脫濃縮后與細胞膜破碎液一同進行SDS-PAGE,結(jié)果見圖5。條帶c在SDS-PAGE上出現(xiàn)2條條帶,其分子質(zhì)量約為50~90 ku,推測鞘氨醇單胞菌SC-1中3-PBA降解酶位于細胞膜上面,其可能是一類多亞基結(jié)構(gòu)酶。

        3 討論與結(jié)論

        圖5 回收蛋白條帶SDS-PAGE圖Fig.5 SDS-PAGE diagram of degrading 3-PBA by the protein recovered

        (1)根據(jù)3-PBA的化學(xué)結(jié)構(gòu)推測,其降解酶可能是氧化酶中的一種。Shaohua等[16]檢測菌株(Bacillus sp.)降解3-PBA的產(chǎn)物時,發(fā)現(xiàn)3-(2-羥基苯氧基)苯甲酸在初期大量積累,之后經(jīng)過二芳基醚鍵的斷裂生成原兒茶酸、苯酚等,由此推斷菌株可產(chǎn)一種3-PBA氧化酶;Halden等[23]分離到1株產(chǎn)堿假單胞菌POB310,雖不能完全降解3-PBA,但能通過角雙加氧酶的作用使二苯醚鍵斷裂,生成苯酚和原兒茶酸。目前報道的大部分芳香族化合物氧化酶主要為胞內(nèi)酶[24],也有部分位于細胞膜上,吳炬等[25]分離出的甲基單胞菌(Methylomonas sp.)具有較高的甲烷單加氧酶活性,且酶位于細胞膜上,可催化甲烷羥基化反應(yīng)生成甲醇;在真核生物中氧化酶主要分布于光滑內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上,也有部分位于細胞器的膜中[9],而原核生物沒有細胞器,呼吸作用由細胞膜完成,其主要酶系也都分布于細胞膜上。這與本實驗得出的鞘氨醇單胞菌SC-1中3-PBA降解酶是一類膜蛋白吻合。本文首次提出了鞘氨醇單胞菌3-PBA降解酶位于細胞膜上,為3-PBA降解酶的進一步研究提供了理論基礎(chǔ)。

        (2本實驗采用超聲波細胞破碎儀對分離得到的細胞膜進行處理,通過超聲過程中的空穴作用使細胞膜進一步破裂成碎片,使膜蛋白與細胞膜分離,通過Native-PAGE發(fā)現(xiàn),膜蛋白可得到較好的分離,并具有一定的活性。

        (3)本文對Native-PAGE中有降解活性的條帶c回收后進行SDS-PAGE分析,得到2條蛋白條帶,條帶蛋白所對應(yīng)分子質(zhì)量均較Dehmel等[22]從基因角度預(yù)測的分子質(zhì)量大,約為50~90 ku。根據(jù)降解酶分子質(zhì)量可初步推測出降解酶基因的大小,對3-PBA降解酶基因的研究及基因工程菌的構(gòu)建具有指導(dǎo)意義,段曉芹等[26]分析了菌株 Sphingobium fanise JZ-2降解3-苯氧基苯甲酸的代謝產(chǎn)物,其中有鄰苯二酚的生成,鄰苯二酚在鄰苯二酚1,2-雙加氧酶作用下開環(huán),根據(jù)鄰苯二酚1,2-雙加氧酶基因序列設(shè)計兼并引物,成功地從JZ-2基因組擴增出鄰苯二酚1,2-雙加氧酶基因(catA);Zhang等[27]從菌株 Ralstonia eutropha JMP134擴增出降解3-苯氧基苯甲酸的基因mbhDHIM,最終獲得了可礦化3-苯氧基苯甲酸的工程菌。

        (4)本文確定了鞘胺醇單胞菌的3-苯氧基苯甲酸降解酶的產(chǎn)生位于細胞膜上,該酶是一種膜蛋白,分子質(zhì)量約為50~90 ku。

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