朱 檬,劉國(guó)瑞 ,張軍 ,湯偉,2,孫曉雯,唐濤,2,趙麗紅,何增國(guó)
(1.中國(guó)海洋大學(xué)醫(yī)藥學(xué)院,山東青島 266000;2.青島海洋生物醫(yī)藥研究院,山東青島 266000;3.青島百奧安泰生物科技有限公司,山東青島 266000)
蛋白酶是一種重要的酶制劑,在飼料、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用(Goutam 和Arun,2017)。有統(tǒng)計(jì)顯示,在酶制劑市場(chǎng)份額中蛋白酶占比超過65%(Garg等,2016)。隨著人們對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)追求的提高和生產(chǎn)分工的細(xì)化,普通蛋白酶逐漸無法滿足如飼料制粒、食品烘焙中的高溫過程,這些行業(yè)對(duì)高溫蛋白酶提出了迫切需求。
微生物以其來源廣泛、培養(yǎng)周期短、便于工程化操作成為目前蛋白酶最主要的來源(于建榮等,2015;鄧菊云,2008;張燕新等,2007)。更重要的是許多極端自然環(huán)境中,如火山口、海底熱液區(qū)、熱泉等天然存在許多耐熱的微生物菌種,其中必然孕育了高溫蛋白酶的基因資源。對(duì)其中微生物種質(zhì)資源的發(fā)掘,可為高溫蛋白酶的開發(fā)提供篩選基礎(chǔ)。已有研究報(bào)道,從這些環(huán)境中篩選得到了具有良好應(yīng)用前景的高溫蛋白酶(桑鵬等,2019;桑鵬等,2019;陳逍遙,2015;Mashayekhi等,2012)。
目前已報(bào)道產(chǎn)高溫蛋白酶的菌屬有芽孢桿菌屬、熱球菌屬、硫化葉菌、火球菌屬等(曾靜,2014;呂明生等,2011;聞?wù)嬲洌?010;黃光榮等,2007)。Geobacillus 屬是2001 年被命名的一個(gè)耐熱菌屬,該屬微生物來源廣泛,具有良好的耐熱性(Nazina等,2001)。已有一些從該屬微生物中分離得到高溫蛋白酶的報(bào)道(Goutam 和Arun,2017;廖艷江,2010;Chen等,2004;Nazina,2001)。本文從長(zhǎng)期處于高溫的燒烤環(huán)境中分離得到1 株喜油嗜熱芽孢桿菌(Geobacillus thermoleovorans),發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)高溫蛋白酶的功能,并對(duì)其產(chǎn)高溫蛋白酶進(jìn)行了表征和酶學(xué)性質(zhì)研究。同時(shí),本文通過基因工程菌手段,嘗試對(duì)該高溫蛋白酶進(jìn)行異源表達(dá)。
1.1 材料
1.1.1 主要試劑 T4 DNA Ligase、膠回收試劑盒、IPTG 和硫酸卡那霉素購自上海生工生物工程有限公司;限制性內(nèi)切酶(EcoR Ⅰ、Xho Ⅰ)購自大連寶生物有限公司;基因組提取試劑盒、質(zhì)粒小提試劑盒購自北京天根生化科技有限公司;酪氨酸、福林酚購自Sigma;其余非特殊注明試劑均購自國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司。
菌株與質(zhì)粒:大腸桿菌BL21(DE3)和質(zhì)粒pET-28a(+)由中國(guó)海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院惠贈(zèng)。
1.1.2 培養(yǎng)基及緩沖溶液、試劑 脫脂奶粉篩選培養(yǎng)基參照Thebti(2016)方法并做出改良:脫脂奶粉20 g,瓊脂20 g,加蒸餾水至1 L,115 ℃,滅菌20 min。
酪蛋白標(biāo)準(zhǔn)溶液:稱取0.500 g 酪蛋白,用少量0.5 moL 的NaOH 溶液潤(rùn)濕,然后加入緩沖液大約40 mL,沸水浴30 min,期間攪拌至完全溶解,冷卻后定容至50 mL。
1.1.3 樣品來源 土壤樣品采集自中國(guó)海洋大學(xué)浮山校區(qū)附近(36.075422°N,120.437054°E)蒸汽排氣口下含油土樣。
1.2 方法
1.2.1 產(chǎn)高溫蛋白酶菌株篩選及理化特征鑒定取采集土樣25 g 加入到225 mL 無菌水中,180 r/min搖培30 min,制成樣品懸液。取1 mL 樣品懸液加入到9 mL 無菌水中進(jìn)行10 倍梯度稀釋。選取合適的稀釋梯度,取100 μL 涂布于脫脂奶粉培養(yǎng)基上,65 ℃培養(yǎng)24 h。觀察比較水解圈直徑與菌落直徑比值,選取比值最大的進(jìn)行液體復(fù)篩,70 ℃下測(cè)量發(fā)酵液酶活,篩選出酶活最高的菌株,編號(hào)G1201。對(duì)篩選得到的菌株在LB 固體培養(yǎng)基上進(jìn)行連續(xù)3 次劃線分純,甘油管保藏純化出的單菌落以待進(jìn)一步研究。
參照《常見細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊(cè)》對(duì)G1201 進(jìn)行厭氧性、運(yùn)行性、觸酶等生理性質(zhì)鑒定,并利用O’Meara 法進(jìn)行V-P 實(shí)驗(yàn)鑒定其生化特征。同時(shí),進(jìn)行革蘭氏染色,并用透射電鏡(TEM)觀察G1201 的菌體形態(tài)特征。
1.2.2 16S rRNA 基因序列分析及系統(tǒng)發(fā)育構(gòu)建采用基因組提取試劑盒提取G1201 基因組DNA。以此為模板,采用通用引物 27 F(5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3')和1492 R(5'-GGTTACCTTGTTACGACTT-3')擴(kuò) 增G1201 的16S rRNA 基因序列。PCR 反應(yīng)條件(張軍,2110),95 ℃55 min;94 ℃0.5 min,55~ 60 ℃0.5 min,72 ℃1 min,35 個(gè)循環(huán);72 ℃10 min。PCR 產(chǎn)物送上海生工測(cè)序。測(cè)序結(jié)果在GeneBank 中進(jìn)行Blast N 比對(duì),用MEGA7.0 軟件,采用Neighbor-Joining 法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,進(jìn)化樹分支采用Bootstrap 法并重復(fù)1000 次。
1.2.3 粗酶的制備及酶活測(cè)定 將G1201 菌株接入LB 培養(yǎng)基中,65 ℃,180 r/min 培養(yǎng)16 h,離心取上清液。在4 ℃條件下,分別用30%、40%、50%、60%、70%和80%硫酸銨對(duì)發(fā)酵上清液逐級(jí)沉淀過夜。之后,4 ℃,10000 r/min 離心30 min,收集沉淀物,將沉淀分別溶于相同體積的PBS(pH 7.5)中測(cè)定酶活,以酶活最大的硫酸銨沉淀物為粗酶,進(jìn)行酶學(xué)性質(zhì)分析。
酶活力單位定義為:在70 ℃條件下,每毫升酶液每分鐘水解酪蛋白產(chǎn)生1 μg 酪氨酸,定義為一個(gè)酶活力單位,以U/mL 表示。酪氨酸標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制及酶活測(cè)定參照國(guó)標(biāo)GB/T23527-2009(中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì),2009),酶反應(yīng)溫度設(shè)為70 ℃。
1.2.4 粗酶的酶學(xué)性質(zhì)分析 粗酶溶于PBS中,進(jìn)行最適催化溫度和溫度耐受性測(cè)定。將粗酶液與酪蛋白溶液在30~ 100 ℃條件下反應(yīng)后,于堿性環(huán)境中與福林酚溶液進(jìn)行顯色反應(yīng),在680 nm處測(cè)量其吸光度,確定最適酶催化溫度。溫度耐受性測(cè)定時(shí),將粗酶液放置30~ 100 ℃下水浴孵育1 h后,在最適溫度70 ℃下與酪蛋白反應(yīng),測(cè)定不同溫度處理后,對(duì)酶活的影響。
粗酶和酪蛋白分別溶于不同pH(pH 4.0~12.0)的緩沖液中,制成粗酶液和酪蛋白標(biāo)準(zhǔn)溶液,在70 ℃下反應(yīng),通過測(cè)定不同pH 條件下粗酶液與酪蛋白反應(yīng)的酶活,確定最適催化pH。pH耐受性測(cè)定,將不同pH 緩沖液溶解的粗酶液水浴孵育1 h,在70 ℃,pH 9.0 條件下測(cè)定酶活,確定其pH 耐受性。
粗酶溶于pH 9.0 的緩沖液,分別加入終濃度5 mmol/L 的Ca2+、Mg2+、Co2+、Cu2+、Fe2+、Mn2+、Zn2+和Na+,水浴孵育1 h,在70 ℃,pH 9.0 條件下測(cè)定酶活,探究不同金屬離子對(duì)酶活的影響。
在上述粗酶液中分別添加1%的表面活性劑(SDS、吐溫20、吐溫80 和曲拉通X-100)和終濃度5 mmol/L 的蛋白酶抑制劑[DTNB(2-硝基苯甲酸)、PMSF(苯甲基磺酰氟)和EDTA(乙二胺四乙酸)。水浴孵育1 h后,在70 ℃,pH 9.0 條件下測(cè)定酶活,分析表面活性劑和蛋白酶抑制劑對(duì)酶活的影響。
1.2.5 高溫蛋白酶的異源表達(dá)及分離純化
1.2.5.1 G1201 蛋白基因克隆與表達(dá)載體構(gòu)建以NCBI 數(shù)據(jù)庫中Geobacillus 屬微生物編碼絲氨酸蛋白酶基因(ser)的序列為基礎(chǔ),使用DNAMAN軟件進(jìn)行多重序列比對(duì),用Primer 5 軟件在ser 基因保守區(qū)設(shè)計(jì)上下游引物FE(5'-CGGAATTCATGTTTGGC TATTCAATAGTGCAGTTAGCCC-3')和RX(5'-CGCTCGAGCTAGCGCTGCAGCAGTTGCT CAAT-3'),下劃線分別為EcoR Ⅰ和Xho Ⅰ的酶切位點(diǎn)。以G1201 的基因組DNA 為模板,擴(kuò)增ser 的基因序列,之后分別用限制性內(nèi)切酶EcoRⅠ和Xho Ⅰ對(duì)擴(kuò)增片段和質(zhì)粒載體pET-28a 雙酶切。T4 連接酶連接過夜后,熱激轉(zhuǎn)化大腸桿菌BL21(DE3)中,用含有硫酸卡納霉素(終濃度50 μg/mL)的平板、菌落PCR 和質(zhì)粒單雙酶切篩選陽性轉(zhuǎn)化子并送上海生工測(cè)序。
1.2.5.2 重組蛋白誘導(dǎo)表達(dá)及分離純化 挑取BL21-pET-28a-ser 單菌落于含50 μg/mL 硫酸卡那霉素的LB 培養(yǎng)基中,37 ℃,180 r/min 培養(yǎng)3 h,至OD600到0.4~ 0.6。之后,加入IPTG(終濃度0.4 mmol/L)誘導(dǎo)表達(dá)4 h。4 ℃,8000 r/min 離心10 min 收集菌體,用PBS 洗滌2 次。離心后,加破碎緩沖液重新懸浮菌體進(jìn)行超聲破壁(功率750 W)。超聲破碎后離心,分別取上清液和沉淀,進(jìn)行SDS-PAGE 檢測(cè),發(fā)現(xiàn)目的條帶以包涵體的形式存在于沉淀中。用8 mol/L 尿素溶解包涵體蛋白,低溫?cái)嚢柘礈?0 min。4 ℃,12000 r/min 離心20 min,取上清過Ni 柱純化目的蛋白并用蛋白測(cè)試試劑盒測(cè)定純化蛋白酶的含量。
2.1 菌株的分離與鑒定
2.1.1 產(chǎn)高溫蛋白酶菌株篩選結(jié)果 通過在脫脂奶粉篩選培養(yǎng)基上對(duì)樣品初篩,在65 ℃培養(yǎng)條件下得到14 株產(chǎn)生透明圈的菌株,挑選透明圈直徑和菌落直徑比值最大的菌株(圖1a),進(jìn)行液體復(fù)篩,篩選出酶活最高的菌株,編號(hào)G1201。在LB平板上70 ℃下培養(yǎng)24 h后,G1201 菌落直徑約3~ 4 mm,呈微黃色、半透明、邊緣不規(guī)則。該菌株革蘭氏染色呈陰性,通過透射電鏡觀察,該菌株呈桿狀,長(zhǎng)3.0~ 3.5 μm,寬0.8~ 1.2 μm,端生孢子,有鞭毛(圖1b)。
圖1 菌株G1201 水解圈(a)和菌株G1201 電鏡圖(b)
通過厭氧性、運(yùn)行性、觸酶試驗(yàn)等生理生化性質(zhì)鑒定,G1201 菌株的理化性質(zhì)如表1 所示。參照《BERGEY’S MANUAL of Systematic Bacteriology Second Edition》(Paul等,2009)所述,確定該菌株與G.thermoleovorans 的理化性質(zhì)一致。
表1 G1201 的生理生化特征
2.1.2 16S rRNA 基因序列鑒定 通過對(duì)G1201的16S rRNA 基因序列擴(kuò)增后測(cè)序,其16S rDNA序列長(zhǎng)度為1449 bp,將測(cè)得的序列上傳至Gen-Bank 數(shù)據(jù)庫(登錄號(hào)MK208514.1),對(duì)16S rRNA基因序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,結(jié)果顯示該菌株與G.thermoleovorans 的相似性為99%(圖2)。結(jié)合電鏡觀察及生理生化試驗(yàn),確定該菌株為G.thermoleovorans。
圖2 菌株G1201 和相似菌株的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹
2.2 粗酶的制備及粗酶學(xué)性質(zhì)的研究
2.2.1 粗酶的制備 參照GB/T23527-2009 建立的酪氨酸標(biāo)準(zhǔn)曲線為Y=0.0099X+0.0111,其R2值為0.9998。以該標(biāo)曲計(jì)算不同硫酸銨沉淀后的酶活,沉淀經(jīng)PBS(pH 7.5)復(fù)溶后,通過福林酚法測(cè)定其不同濃度的硫酸銨沉淀物的酶活,發(fā)現(xiàn)60%硫酸銨沉淀物復(fù)溶后酶活最高。因此以60%硫酸銨下的沉淀物作為粗酶。
2.2.2 粗酶酶學(xué)性質(zhì) 通過測(cè)定不同溫度下粗酶液的酶活,確定最適催化溫度為70 ℃,酶活達(dá)16.82 U/mL(圖3a)。溫度耐受性結(jié)果顯示,以70℃下測(cè)定的酶活為100%,30~ 60 ℃時(shí)酶活不變,80 ℃以上酶活有所降低,至100 ℃酶活仍能保持在50%以上(圖3b)。
圖3 溫度對(duì)酶活力和穩(wěn)定性的影響
通過測(cè)定不同pH 條件下粗酶液的酶活,確定其最適pH 為9.0(圖4a)。pH 耐受性結(jié)果顯示,以pH 9.0 下測(cè)定的酶活為100%,該蛋白酶在堿性環(huán)境中耐受性很好,pH 8.0~ 12.0 下的酶活均能達(dá)到90%以上,在酸性環(huán)境中該酶的的耐受性較差,pH 4.0~7.0下,酶活只有26%~50%(圖4b)。
圖4 pH 對(duì)酶活力和穩(wěn)定性的影響
粗酶液在含有不同金屬離子中孵育1 h后,以沒有添加金屬離子孵育的酶活視為100%,結(jié)果顯示Ca2+和Mg2+對(duì)酶活具有促進(jìn)作用,其酶活分別達(dá)到131%和117%,Mn2+對(duì)酶活基本沒有影響,其他離子Co2+、Na+、Fe2+、Zn2+和Cu2+均對(duì)酶活力表現(xiàn)出有一定的抑制作用,抑制程度根據(jù)其蛋白酶殘余酶活判斷分別為46%、73%、75%、78%和93%(圖5a)。粗酶液在含有不同有機(jī)溶劑中孵育1 h 后測(cè)酶活,以沒有添加有機(jī)溶劑孵育的酶活視為100%,結(jié)果顯示吐溫20 和Triton X-100能夠促進(jìn)酶活,其酶活分別達(dá)131%和115%,吐溫80 對(duì)酶活沒有影響,而SDS 表現(xiàn)出一定的抑制作用(圖6b)。而蛋白酶抑制劑DTNB、PMSF 和EDTA 表現(xiàn)出對(duì)酶活較強(qiáng)的抑制作用,其殘余酶活分別為5%、60%、28%(圖5b)。
圖5 金屬離子及表面活性劑和抑制劑對(duì)酶活力和穩(wěn)定性的影響
2.1.5 G1201 蛋白基因的克隆與表達(dá)載體的構(gòu)建通過對(duì)克隆基因PCR 產(chǎn)物測(cè)序,其基因長(zhǎng)度為1434 bp,將核酸序列上傳至國(guó)家微生物科學(xué)數(shù)據(jù)中心(NMDC),基因編號(hào):NMDCN0000Q22。在MDAMAN 軟件中翻譯該基因序列,得到其編碼蛋白酶序列(圖6)。在Genebank 數(shù)據(jù)庫對(duì)克隆基因序列和翻譯后的蛋白序列進(jìn)行Blast,結(jié)果顯示其為編碼ser 蛋白酶的基因,屬于屬于絲氨酸蛋白酶家族,且存在該蛋白酶家族保守的氨基酸基序GTSMATP。在ExPasy 網(wǎng)站中用ProtParam tool,分析其序列特征,結(jié)果預(yù)測(cè)顯示該蛋白穩(wěn)定指數(shù)小于40為穩(wěn)定蛋白,總平均親水性為負(fù)值表明該蛋白為親水性蛋白(表2)。將克隆的目的基因連接到質(zhì)粒載體pET-28a上,通過雙酶切驗(yàn)證(圖7),成功構(gòu)建了目的基因的重組質(zhì)粒載體pET-28a(+)-ser。
圖6 核酸序列和編碼蛋白序列
表2 蛋白理化性質(zhì)預(yù)測(cè)
圖7 重組質(zhì)粒酶切
2.3.2 重組蛋白的表達(dá)及鑒定 提取重組質(zhì)粒載體pET-28a(+)-ser 轉(zhuǎn)入表達(dá)菌株大腸桿菌BL21(DE3)中,構(gòu)建表達(dá)該蛋白酶的基因工程菌BL21(DE3)-pET-28a(+)-ser。以IPTG 為誘導(dǎo)物誘導(dǎo)目的基因表達(dá),結(jié)果顯示在誘導(dǎo)4 h 的發(fā)酵液中約50 kD 處出現(xiàn)了目的條帶(圖8)。
圖8 蛋白酶誘導(dǎo)表達(dá)電泳圖
2.3.3 重組蛋白酶的純化 菌體破壁后電泳結(jié)果顯示,目的蛋白以包涵體的形式存在于沉淀中,用8 mol/L 尿素對(duì)包涵體進(jìn)行復(fù)性。之后,通過Ni 柱進(jìn)行純化,得到了目的蛋白(圖9)。通過BCA 法測(cè)得的純化后蛋白質(zhì)濃度為0.108 mg/mL。
圖9 目的蛋白的純化電泳圖
耐高溫蛋白酶可適應(yīng)高溫加工環(huán)境,在飼料制粒、食品烘焙、高溫洗滌等行業(yè)有重要的應(yīng)用,一直以來都是研究的熱點(diǎn)(Manavalan等,2020;Niu等,2017;Dadshahi等,2016;Charbonneau等,2012)。Geobacillus屬的微生物作為2001年從Bacillus屬分離出的嗜熱菌群,其中蘊(yùn)含了豐富的耐高溫蛋白酶資源。目前,眾多國(guó)內(nèi)外的學(xué)者從該屬微生物中分離得到了耐高溫蛋白酶,如:Geobacillus.caldoproteolyticus(Chen等,2004),Geobacillus.subterraneus(Nazina,2001),Geobacillus.uzenensis(Nazina等,2001),Geobacillus.thermodenitrificans(Charbonneau等,2012)。本研究從蒸汽排氣口土樣中分離出的菌株G1201 能夠產(chǎn)耐高溫蛋白酶,經(jīng)鑒定為G.thermoleovorans。比較值得注意的是,Geobacillus 屬及近源的Bacillus屬微生物革蘭氏染色表現(xiàn)為陽性,而本研究中的G.thermoleovorans G1201 革蘭氏染色表現(xiàn)為陰性。這 與 《BERGEY’S MANUAL of Systematic Bacteriology Second Edition》中對(duì)該種微生物的表述一致,G.thermoleovorans 種菌株革蘭氏染色陰性和陽性結(jié)果均有發(fā)現(xiàn)(Bose等,2016;Paul等,2009)。推測(cè),G.thermoleovorans 在細(xì)胞壁的進(jìn)化中可能扮演了關(guān)鍵性角色。研究顯示與G.thermoleovorans 近源的超嗜熱古菌(Hyperthermophilic archaea)均為革蘭氏陰性菌,兩者在進(jìn)化上逐漸分離,但可能保留了相同的細(xì)胞壁構(gòu)成(Teuku等,2019)。
目前,對(duì)G.thermoleovorans 產(chǎn)高溫淀粉酶(Mok等,2013)和高溫脂肪酶(Abol Fotouh等,2016)有較多的研究,而對(duì)其產(chǎn)高溫蛋白酶則鮮有報(bào)道(Teuku等,2019)。研究顯示,Geobacillus 屬菌株所產(chǎn)高溫蛋白酶的適宜溫度為55~ 90 ℃,適宜pH 為6~ 9(Baykara等,2021;Suleiman等,2020;Teuku等,2019;Charbonneau等,2012;Chen等,2004;Nazina,2001)。本研究中經(jīng)60%硫酸銨沉淀的粗酶,最適溫度為70 ℃,最適pH 為9.0,于上述結(jié)果類似。耐受性試驗(yàn)結(jié)果顯示,該酶表現(xiàn)出較強(qiáng)的高溫耐受性,在90 ℃以下均能達(dá)到酶活的80%以上,溫度達(dá)到100 ℃時(shí)仍能維持50% 的酶活。同時(shí),該蛋白酶在pH 8.0~ 12.0 的酶活均能達(dá)到90%以上,表明該酶在中性及偏堿性條件下具有良好的催化能力。與同種微生物產(chǎn)生的高溫蛋白酶相比,G1201 所產(chǎn)蛋白酶具有更高的溫度耐受性和pH 適應(yīng)性(Teuku等,2019)。
Ca2+、Mg2+、吐溫20 和Triton X-100 能夠促進(jìn)酶活,而Co2+、Na+、Fe2+、Zn2+、Cu2+以及SDS、DTNB、PMSF 和EDTA 則可以不同程度的抑制酶活。對(duì)溫度和pH、金屬離子、表面活性劑和蛋白酶抑制劑的耐受性分析表明,該酶能夠耐受飼料制粒、食品烘焙和高溫洗滌過程中面臨的高溫環(huán)境,具有良好的應(yīng)用潛能。
結(jié)合該蛋白酶偏堿性的pH 適應(yīng)性,以及酶活受Ca2+、Mg2+的促進(jìn)作用。同時(shí),具有絲氨酸蛋白酶家族的保守基因序列:GTSMATP(Laskar等,2011)。因此,可將該高溫蛋白酶歸為絲氨酸蛋白酶家族。克隆全長(zhǎng)為1434 bp 的該高溫蛋白酶基因構(gòu)建大腸桿菌的表達(dá)載體pET-28a(+)-ser,在大腸桿菌BL21(DE3)中進(jìn)行異源表達(dá),結(jié)果顯示52.5 kD 的目的蛋白以包涵體的形式存在。包涵體是大腸桿菌表達(dá)體系中常見形式,對(duì)目的蛋白的純化和酶活具有較大影響。近年來,通過控制細(xì)菌熱休克反應(yīng)來改善重組蛋白的折疊,從而避免包涵體的形成已經(jīng)有一些研究進(jìn)展(Overton,2014)。將來,可通過該手段改善G.thermoleovorans 源高溫蛋白酶異源表達(dá)過程中包涵體形成。