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        特異腐質(zhì)霉角質(zhì)酶在大腸桿菌中的表達(dá)和發(fā)酵優(yōu)化

        2018-06-19 09:49:56孫益榮吳敬宿玲恰
        食品與機(jī)械 2018年4期
        關(guān)鍵詞:生長

        孫益榮吳 敬宿玲恰

        (1. 江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122;2. 江南大學(xué)生物工程學(xué)院工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122;3. 江南大學(xué)教育部食品安全國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122)

        角質(zhì)酶是一種多功能水解酶,可用于水解短鏈或長鏈脂肪酸酯類和甘油三酯,也可用于降解植物的多聚體角質(zhì)[1-2]。相較于普通的脂肪酶,角質(zhì)酶缺少了蓋子結(jié)構(gòu),更易于降解聚酯。基于以上功能特點(diǎn),角質(zhì)酶在食品加工和紡織工業(yè)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景[3-6],尤其在棉織物的生物精煉和人造纖維的表面改性中,角質(zhì)酶有望替代傳統(tǒng)的化學(xué)堿處理,對環(huán)境保護(hù)有重要意義。

        目前角質(zhì)酶的主要來源包括微生物和花粉2種,其中微生物來源又可細(xì)分為致病真菌、部分細(xì)菌和少數(shù)放線菌三部分[7]。國內(nèi)外的研究早期集中在植物病原真菌Fusariumsolanipisi[8]、Pyrenopezizabrassicae[9]來源的角質(zhì)酶上,后續(xù)又篩選得到放線菌Thermobifidafusca[1]、Streptomycesacidiscabies[3]和細(xì)菌Pseudomonasputida[10]等產(chǎn)角質(zhì)酶菌株。絕大多數(shù)角質(zhì)酶,諸如ThermobifidaFusca角質(zhì)酶,適用溫度范圍為30~60 ℃。而特異腐質(zhì)霉(Humicolainsolens,H.insolens)角質(zhì)酶最適溫度為80 ℃,并有良好的耐熱性。在此應(yīng)用溫度下,棉纖維表層的蠟質(zhì)會因高溫融化,有利于角質(zhì)酶與角質(zhì)的結(jié)合,提升酶應(yīng)用效能。因此,特異腐質(zhì)霉來源的角質(zhì)酶具有更好的應(yīng)用前景。為了更好地生產(chǎn)角質(zhì)酶,構(gòu)建工程菌生產(chǎn)重組蛋白是目前研究的主要方式。因而選擇合適的表達(dá)宿主顯得尤為重要。大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)作為目前研究最深入、開發(fā)最成熟的一種表達(dá)系統(tǒng),具有培養(yǎng)周期短、表達(dá)效率高、遺傳相對穩(wěn)定、操作相對簡便的特點(diǎn)[11],是生產(chǎn)異源蛋白最常用的系統(tǒng)之一。

        本試驗(yàn)擬將Humicolainsolens來源的角質(zhì)酶基因在大腸桿菌中進(jìn)行克隆表達(dá),測定其酶學(xué)性質(zhì),并在3 L發(fā)酵罐的水平上進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)及條件優(yōu)化,為H.insolens角質(zhì)酶在工業(yè)中的應(yīng)用及后續(xù)的研究提供依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        1.1.1 菌株與質(zhì)粒

        H.insolens角質(zhì)酶基因、克隆宿主E.coliJM109、表達(dá)宿主E.coliBL21(DE3)、表達(dá)載體pET 20b(+):作者所在實(shí)驗(yàn)室保藏;

        克隆載體pMD18-T simple vector:寶生物工程(大連)有限公司;

        PCR引物:生工生物工程(上海)有限公司。

        1.1.2 主要試劑

        DNA Marker、瓊脂糖、T4DNA連接酶、限制性內(nèi)切酶NcoI和Hind III、堿性磷酸酶(CIAP)及PCR聚合酶PrimeSTAR:寶生物(大連)工程有限公司;

        氨芐青霉素(Amp):分析純,生工生物(上海)工程有限公司;

        異丙基硫代半乳糖苷(IPTG):分析純,阿拉丁生化(上海)科技有限公司;

        普通DNA產(chǎn)物純化試劑盒、瓊脂糖凝膠DNA回收試劑盒、質(zhì)粒小提試劑盒:天根生化(上海)科技有限公司;

        分子級胰蛋白胨和酵母粉:英國Oxoid公司;

        蛋白分子量標(biāo)準(zhǔn)品、蛋白質(zhì)凝膠電泳試劑盒:碧云天(上海)生物科技有限公司;

        其它試劑:分析純,國藥集團(tuán)(上海)化學(xué)試劑有限公司。

        1.1.3 培養(yǎng)基

        LB培養(yǎng)基:胰蛋白胨 10.0 g/L、酵母粉 5.0 g/L、NaCl 10.0 g/L;

        TB培養(yǎng)基:甘油 5.0 g/L、胰蛋白胨 12.0 g/L、酵母粉 24.0 g/L、K2HPO4·3H2O 16.43 g/L、KH2PO42.35 g/L;

        3 L罐發(fā)酵培養(yǎng)基:工業(yè)級蛋白胨 1.2 g/L、工業(yè)級酵母粉 2.4 g/L、甘油 8.0 g/L、KH2PO413.5 g/L、(NH4)2HPO44.0 g/L、MgSO4·7H2O 1.4 g/L、檸檬酸 1.7 g/L、微量元素液10 mL,用氨水(氫氧化銨)調(diào)pH 7.0;

        3 L罐補(bǔ)料培養(yǎng)基:工業(yè)級蛋白胨 2.4 g/L、工業(yè)級酵母粉 4.8 g/L、MgSO4·7H2O 18.35 g/L、甘油600.0 g/L;

        微量元素液:Al2(SO4)3·18H2O 2.0 g/L、CoSO4·7H2O 0.75 g/L、H3BO30.5 g/L、MnSO4·7H2O 24.0 g/L、Na2MoO43.0 g/L、NiSO4·6H2O 3.0 g/L、ZnSO4·7H2O 1.0 g/L。

        1.2 試驗(yàn)方法

        1.2.1 大腸桿菌表達(dá)質(zhì)粒的構(gòu)建 設(shè)計(jì)帶有酶切位點(diǎn)NcoI 和Hind III的引物,使用PCR儀擴(kuò)增特異腐質(zhì)霉角質(zhì)酶對pET20b(+)載體使用NcoI、Hind III雙酶切,CIAP處理防止載體自連,膠回收后獲得線性化的載體。在T4 ligase體系下將基因同載體連接過夜,轉(zhuǎn)化JM109感受態(tài)細(xì)胞,經(jīng)氨芐青霉素抗性平板篩選,獲得陽性轉(zhuǎn)化子。對獲得的轉(zhuǎn)化子提質(zhì)粒,經(jīng)NcoI、Hind III雙酶切驗(yàn)證正確,即質(zhì)粒pET20b(+)/HIC。質(zhì)粒由生工生物工程(上海)有限公司測序。將驗(yàn)證正確的質(zhì)粒pET20b(+)/HIC轉(zhuǎn)化E.coliBL21(DE3)感受態(tài)細(xì)胞,經(jīng)氨芐青霉素抗性平板篩選和LB/AMP培養(yǎng)基培養(yǎng)后,使用濃度為15%的甘油管保藏菌種,于-80 ℃冷凍保藏。

        1.2.2 重組菌誘導(dǎo)表達(dá) 取保藏的特異腐質(zhì)霉角質(zhì)酶重組菌接種于LB/AMP培養(yǎng)基中,37 ℃、150 r/min震蕩培養(yǎng)8 h后,轉(zhuǎn)接至TB培養(yǎng)基中,接種體積分?jǐn)?shù)5%;37 ℃、150 r/min培養(yǎng)至OD600約為1.5時(shí),加入終濃度為0.05 mmol/L的IPTG,于25 ℃、150 r/min條件下培養(yǎng)24 h左右,直至發(fā)酵液中的角質(zhì)酶酶活不再增高。

        1.2.3 SDS-PAGE凝膠電泳檢測 洗凈并組裝制膠裝置,用水檢漏,確保裝置不漏水。依據(jù)試劑盒配方配置分離膠,混勻后加入到裝置內(nèi),用水液封。于37 ℃烘箱靜置30 min,待分離膠凝固后用濾紙除去裝置中殘留的水。配置濃縮膠,加入到槽內(nèi),插入梳子,室溫下等待濃縮膠凝固。取1 mL發(fā)酵液12 000 r/min離心10 min,取上清液20 μL和5 μL的上樣緩沖液混勻,沸水浴10 min,上樣8 μL。設(shè)置電泳儀電壓300 V,電流60 mA,運(yùn)行20 min左右,當(dāng)藍(lán)色條帶到達(dá)凝膠底部時(shí)停止。輕輕地將凝膠與制膠板分開,剝下的膠用考馬斯亮藍(lán)染液染色45 min左右。按照水、乙醇、冰乙酸16∶1∶3的比例配置脫色液,用于蛋白膠脫色,約12~20 h可脫色完全。

        1.2.4 酶活力測定方法ρNPB水解酶活性:在37 ℃下,使用連續(xù)分光光度法測定酶活力。反應(yīng)總體積為1.5 mL,包括30 μL 50 mmol/L對硝基苯丁酸酯(ρNPB)的底物,30 μL酶液,和1 440 μL Tris-HCl緩沖液(pH 8.0)。在405 nm波長下,記錄對硝基酚的增長速率,反應(yīng)時(shí)間1 min。酶活定義:37 ℃下,每分鐘將對硝基苯丁酸酯(ρNPB)催化水解生成1 μmol 對硝基酚的酶量,即為一個(gè)酶活力單位(U)。

        1.2.5 重組菌最適溫度及最適pH測定

        (1) 最適溫度:分別在不同溫度條件下測定同等量的角質(zhì)酶活力,最高酶活力定義為100%,計(jì)算不同溫度條件下的相對酶活,探究最適溫度。

        (2) 最適pH:在不同pH條件下(pH 5.0~10.0)測定等量酶液的酶活,定義最高酶活為100%,計(jì)算不同條件下角質(zhì)酶的相對酶活,探究最適pH。

        (3) 緩沖體系為:Na2HPO4-NaH2PO4緩沖體系(5.0~7.0) 、Tris-HCl緩沖體系(pH 7.0~9.0)和Gly-NaOH緩沖體系(pH 9.0~10.0)。

        1.2.6 重組菌溫度穩(wěn)定性及pH穩(wěn)定性測定

        (1) 溫度穩(wěn)定性:取同等量的酶液,分別置于60,80 ℃ 的水浴鍋中保溫處理,60 ℃樣品間隔120 min取樣一次,80 ℃ 樣品間隔5 min取樣一次,測定樣品酶活力。定義0 h樣品的酶活為最高酶活100%,計(jì)算角質(zhì)酶殘留酶活在不同溫度下隨時(shí)間的變化情況,探究該酶的溫度穩(wěn)定性。

        (2) pH穩(wěn)定性:取不同pH值(pH 5.0~10.0)條件下的酶液,于室溫靜置48 h,取等量酶液測定酶活,最高酶活定義為100%,計(jì)算不同pH條件下的角質(zhì)酶殘留酶活變化情況,探究角質(zhì)酶的pH穩(wěn)定性。緩沖體系同1.2.5(3)。

        1.2.7 3 L發(fā)酵罐擴(kuò)大培養(yǎng) 將保藏的甘油管,以2%的接種體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)接至50 mL工業(yè)級LB培養(yǎng)基中,并添加終濃度為0.1 g/L的氨芐青霉素,37 ℃、200 r/min培養(yǎng)8 h。取上述種子以10%的接種體積分?jǐn)?shù),轉(zhuǎn)接至3 L NBS BioFlo-115型發(fā)酵罐中,起始裝液量為1 L(包括900 mL的3 L罐發(fā)酵培養(yǎng)基和100 mL種子)。維持生長溫度37 ℃、溶氧30%,通過補(bǔ)加氨水的方式維持pH 7.0。培養(yǎng)5~7 h后,上罐培養(yǎng)基中的碳源耗盡,溶氧反彈。此后以指數(shù)流加的方式向發(fā)酵罐中加入補(bǔ)料培養(yǎng)基至發(fā)酵結(jié)束,比生長速率控制在μ=0.18 h-1。補(bǔ)料階段6~8 h,在菌體生長至特定OD后進(jìn)入乳糖誘導(dǎo)階段,恒速流加0.2 g/(L·h)的乳糖溶液,誘導(dǎo)時(shí)間、誘導(dǎo)溫度由對應(yīng)的發(fā)酵策略決定。誘導(dǎo)后,間隔一定時(shí)間取樣,測定樣品的菌濃(OD600)和酶活,當(dāng)酶活出現(xiàn)顯著下降趨勢后結(jié)束發(fā)酵。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 重組表達(dá)質(zhì)粒的構(gòu)建

        設(shè)計(jì)帶有酶切位點(diǎn)NcoI 和Hind III的引物,使用PCR儀克隆并擴(kuò)增目的基因HIC。同pET20b(+)載體連接后,轉(zhuǎn)入JM109感受態(tài)細(xì)胞,經(jīng)氨芐青霉素抗性平板篩選,獲得陽性轉(zhuǎn)化子。對獲得的轉(zhuǎn)化子提質(zhì)粒,NcoI、Hind III雙酶切驗(yàn)證,結(jié)果見圖1。從圖1可知,600 bp處出現(xiàn)目的條帶,與H.insolens角質(zhì)酶基因的理論大小相符,重組質(zhì)粒pET20b(+)/HIC構(gòu)建完成。

        2.2 重組角質(zhì)酶在大腸桿菌中的表達(dá)

        將構(gòu)建完成的重組質(zhì)粒 pET20b(+)/HIC轉(zhuǎn)入BL21(DE3)感受態(tài)細(xì)胞,經(jīng)氨芐青霉素抗性平板篩選,獲得陽性轉(zhuǎn)化子。將轉(zhuǎn)化子轉(zhuǎn)接至搖瓶中,依據(jù)1.2.2所述方法進(jìn)行誘導(dǎo)表達(dá),24 h酶活達(dá)到最大值,此后保持穩(wěn)定,據(jù)此結(jié)束發(fā)酵。發(fā)酵液中的胞外酶活為170 U/mL、胞內(nèi)酶活<1 U/mL,總酶活170 U/mL。發(fā)酵上清液的蛋白電泳圖見圖2。從圖2可知,20 kDa處有明顯的條帶,與HIC的理論相對分子質(zhì)量一致,表明H.insolens來源的角質(zhì)酶基因HIC已在大腸桿菌中正確表達(dá)。

        M. DNA Marker 1. 質(zhì)粒pET20b(+)/HIC經(jīng)NcoI/HindIII雙酶切后的條帶

        圖1 重組質(zhì)粒pET20b(+)/HICNcoI、Hind III雙酶切電泳圖

        Figure 1 Restriction enzyme digestion analysis of pET20b(+)/HIC

        M. 蛋白質(zhì)分子量標(biāo)準(zhǔn)(高) 1.H.insolens角質(zhì)酶重組菌發(fā)酵培養(yǎng)基上清液組分

        圖2 重組菌搖瓶發(fā)酵胞外上清液SDS-PAGE分析

        Figure 2 SDS-PAGE analysis of culture supernatant of recombinant strains

        2.3 重組角質(zhì)酶的酶學(xué)性質(zhì)

        2.3.1 最適pH和pH穩(wěn)定性 從圖3(a)可知,伴隨pH值的改變,重組角質(zhì)酶酶活出現(xiàn)明顯變化,pH處于5.0~8.5時(shí),相對酶活逐漸上升;pH處于8.5~10.0時(shí),相對酶活逐漸降低;說明重組酶最適pH值為8.5。從圖3(b)可知,pH 5.0~10.0時(shí),放置48 h酶活幾乎無變化。

        2.3.2 最適溫度和溫度穩(wěn)定性 從圖4(a)可知,30~80 ℃時(shí),相對酶活呈逐漸上升趨勢;80~85 ℃時(shí),相對酶活逐漸下降,說明重組酶的最適反應(yīng)溫度為80 ℃。從圖4(b)、(c)可知,重組角質(zhì)酶80 ℃條件下的溫度半衰期為11 min,60 ℃ 條件下溫度半衰期為14 h。

        2.4 重組角質(zhì)酶在3 L發(fā)酵罐中的發(fā)酵優(yōu)化

        2.4.1 誘導(dǎo)時(shí)間對高密度發(fā)酵的影響 重組菌于3 L罐發(fā)酵過程中,誘導(dǎo)時(shí)間會顯著地影響到菌體濃度和異源蛋白的表達(dá)量。誘導(dǎo)時(shí)間過早,會對宿主菌的生長造成負(fù)擔(dān),降低細(xì)胞生長速率,影響到異源蛋白的正常表達(dá)。誘導(dǎo)時(shí)間過晚,會導(dǎo)致誘導(dǎo)強(qiáng)度不足,最終影響到蛋白表達(dá)量[12]。為探求最佳的誘導(dǎo)時(shí)間,獲得最高的重組角質(zhì)酶蛋白表達(dá)量,本研究中統(tǒng)一控制發(fā)酵罐誘導(dǎo)溫度為30 ℃、乳糖濃度為0.2 g/(L·h),分別在菌濃OD600為30,40,50,65時(shí)開始恒速流加乳糖溶液,測定各誘導(dǎo)階段的菌體生長情況和蛋白表達(dá)情況,結(jié)果見圖5。

        圖3 重組角質(zhì)酶的最適pH和pH穩(wěn)定性

        圖4 重組角質(zhì)酶的最適溫度和溫度穩(wěn)定性

        圖5 誘導(dǎo)時(shí)間對重組菌生長和產(chǎn)酶的影響

        從圖5可知,當(dāng)菌體濃度OD600為30時(shí)開始乳糖誘導(dǎo),菌體生長和蛋白表達(dá)受到顯著影響,最終導(dǎo)致重組菌于OD600為82時(shí)即停止生長,其最高酶活僅為1 766 U/mL;當(dāng)菌體濃度OD600為40時(shí)開始乳糖誘導(dǎo),菌體最終生物量(OD600)和蛋白表達(dá)情況亦受到一定影響,重組菌E.coliBL21(DE3)/pET20b(+)-HIC的最高酶活為2 150 U/mL;當(dāng)菌體濃度OD600為50時(shí)開始乳糖誘導(dǎo),菌體生長狀況良好,蛋白正常表達(dá),重組菌E.coliBL21(DE3)/pET20b(+)-HIC的最高酶活為2 233 U/mL;當(dāng)菌體濃度OD600為65時(shí)開始乳糖誘導(dǎo),OD600為100后菌體生物量達(dá)到最高,此后逐漸下降,重組菌E.coliBL21(DE3)/pET20b(+)-HIC的最高酶活為1 934 U/mL。OD600為50時(shí)誘導(dǎo)的菌體生長及蛋白表達(dá)情況均優(yōu)于OD600為30,40,65時(shí)誘導(dǎo)的,故本研究認(rèn)為OD600為50時(shí)進(jìn)行誘導(dǎo)為最佳誘導(dǎo)時(shí)間。

        2.4.2 誘導(dǎo)溫度對高密度發(fā)酵的影響 誘導(dǎo)溫度是影響菌體生長和重組蛋白產(chǎn)量的因素之一。溫度較低時(shí)菌體生長速率降低,菌體濃度低,進(jìn)而影響重組蛋白的表達(dá);溫度過高,細(xì)胞內(nèi)多肽鏈合成速度加快,當(dāng)合成速率大于折疊速率后,會造成多肽鏈聚集而無法正確折疊,最終以不溶性包涵體的形式沉積。故選擇最合適的誘導(dǎo)溫度,對提高重組菌株在3 L發(fā)酵罐中的產(chǎn)酶量有重要意義。

        依據(jù)2.4.1的試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)菌體濃度OD600達(dá)到50后進(jìn)入誘導(dǎo)階段,此時(shí)分別選擇3種不同的溫度(25,30,35 ℃),統(tǒng)一恒速流加[0.2 g/(L·h)]乳糖溶液進(jìn)行誘導(dǎo),以測定不同誘導(dǎo)溫度對重組蛋白表達(dá)的影響,結(jié)果見圖6。從圖6可知,當(dāng)誘導(dǎo)溫度為25 ℃時(shí),菌體生長緩慢,菌體生物量OD600為84時(shí)即停止生長,蛋白表達(dá)亦受到抑制,重組菌E.coliBL21(DE3)/pET20b(+)-HIC最高酶活為1 565 U/mL,為3種溫度下的最低值。當(dāng)誘導(dǎo)溫度為30 ℃時(shí),菌體生物量OD600最高為104,重組菌E.coliBL21(DE3)/pET20b(+)-HIC最高酶活為2 233 U/mL。當(dāng)誘導(dǎo)溫度為35 ℃時(shí),菌體生長情況最好,菌體生物量OD600最高達(dá)到114,但是重組菌E.coliBL21(DE3)/pET20b(+)-HIC最高酶活僅為1 772 U/mL,明顯低于30 ℃時(shí)的,其原因可能是過高的溫度和過快的菌體生長速度,導(dǎo)致蛋白不正常折疊形成大量沒有活性的包涵體,故認(rèn)為30 ℃為最佳誘導(dǎo)溫度。

        圖6 誘導(dǎo)溫度對重組菌生長和產(chǎn)酶的影響

        3 結(jié)論

        角質(zhì)酶可有效降解棉纖維表層角質(zhì),增強(qiáng)纖維潤濕性,在紡織工業(yè)中有很好的應(yīng)用前景。但是,工業(yè)中處理棉纖維的常用方法,均需在高溫環(huán)境下進(jìn)行才能保證處理效果。而目前已報(bào)到的角質(zhì)酶基因來源,催化溫度偏低,在實(shí)際使用時(shí)需多次改變溫度、工藝復(fù)雜,工業(yè)化應(yīng)用受到了明顯的限制。本試驗(yàn)為解決上述問題,嘗試在E.coli中重組表達(dá)了H.insolens來源的角質(zhì)酶基因,重組后的角質(zhì)酶最適溫度高達(dá)80 ℃,在高溫應(yīng)用環(huán)境下可保持一段時(shí)間的穩(wěn)定。進(jìn)一步將重組酶在3 L罐中進(jìn)行發(fā)酵優(yōu)化,確定了重組酶的最佳誘導(dǎo)溫度為30 ℃,菌體濃度OD600為50時(shí)進(jìn)行誘導(dǎo)為最佳誘導(dǎo)時(shí)間,獲得的最高酶活可達(dá)2 233 U/mL。本研究可為角質(zhì)酶在棉織物精練工業(yè)中的應(yīng)用提供新的研究思路,而且簡化工藝流程、降低生產(chǎn)成本。

        但由于本試驗(yàn)在3 L罐中的發(fā)酵罐數(shù)較少,存在優(yōu)化不徹底的問題,重組酶的表達(dá)仍處于較低水平。因此,在后續(xù)研究中,應(yīng)圍繞誘導(dǎo)強(qiáng)度和重組蛋白表達(dá)量之間的關(guān)系進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)酵工藝。其次,在優(yōu)化過程中,還應(yīng)考慮到該角質(zhì)酶具有磷脂水解活性的特點(diǎn),在重組菌發(fā)酵過程中可能會對宿主細(xì)胞膜造成損傷,因而發(fā)酵過程中平衡誘導(dǎo)強(qiáng)度、菌體濃度及蛋白表達(dá)量之間的關(guān)系也是十分關(guān)鍵的。如果能很好地解決上述問題,獲得更好的蛋白表達(dá)及更短的發(fā)酵周期,將會對降低角質(zhì)酶生產(chǎn)成本有重要的意義。

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