CN101701205B - 一种耐碱性木聚糖酶XynE2及其基因和应用 - Google Patents

一种耐碱性木聚糖酶XynE2及其基因和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基因工程领域,具体地,本发明涉及一种耐碱性木聚糖酶XynE2及其基因和应用。本发明的耐碱性木聚糖酶XynE2,其具有如SEQ ID NO.1所示的氨基酸序列,编码上述木聚糖酶的基因,其具有如SEQ ID NO.2所示的核苷酸序列。本发明的木聚糖酶具有以下性质:最适pH7.8,最适温度65℃,良好的pH稳定性和热稳定性;比活1389.85U/mg。做为一种新型的酶制剂,可广泛用于造纸、动物饲料、食品、医药、酿酒、能源工业等。

Description

一种耐碱性木聚糖酶XynE2及其基因和应用
技术领域
本发明涉及基因工程领域,具体地,本发明涉及一种耐碱性木聚糖酶XynE2及其基因和应用。
背景技术
木聚糖是一种多聚五碳糖,也是半纤维素的重要的组成成分。它在自然界中含量仅次于纤维素的第二丰富的多聚糖,几乎占地球可更新有机碳含量的三分之一(Prade.Biotech.and Gentic Engi.Rev..13(12):101~131,1995)。木聚糖广泛存在于植物的树皮、果实、木质、根、叶等,是自然界中最重要的可再生资源。木聚糖酶是可将木聚糖降解成低聚糖和木糖的一类酶的总称。对木聚糖酶的研究主要集中在适合于制浆造纸工业、食品工业、能源工业等方面的木聚糖酶,已经从不同来源的微生物中分离到大量的不同类型不同功能的木聚糖酶。并分离出多种木聚糖酶基因,已工业化生产多种木聚糖酶产品。
1986年,Viikari(Viikari L,Ranva M,Kantelinen A.Bleaching with enzymes.Stockholm:third International Conference in Biotechnology in Pulp and PaperIndustry,1986,67-69)首次报道木聚糖酶在处理硫酸盐纸浆能够增强漂白效果及减少后续漂段的用氯量。随后几十年间,国内外的科学家开始对木聚糖酶在纸浆和造纸工业上的应用进行了大量的研究。主要原因是用木聚糖酶对纸浆进行预处理后,可大大减少后续漂白过程中氯化物的用量,从而降低纸浆和造纸工业对环境造成的污染。自从1973年Horikoshi(Horikoshi K,Atsukawa Y. Xylanase produced by alkalophilicBacillus No.C25922.Agric Biol Chem,1973,3:2097~2103)第一次报道来自碱性细菌中的木聚糖酶以来,大量的耐热、耐碱木聚糖酶得到克隆表达及酶学的性质研究。例如,Dey(Dey D,Hinge J,Shendye A,et al. Purification and properties of extracelluarendoxylanases from an alkalophilic thermophilic Bacil
因此,获得新型具有优良特性木聚糖酶的研究仍具有重大意义。克隆和分离具有耐高温和较广的pH稳定性的木聚糖酶可以更好的应用于造纸工业、饲料和食品,而且可以降低生产成本,都是木聚糖酶应用于工业化生产所必需的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种产耐碱性木聚糖酶的菌株Anoxybacillus sp.E2。
本发明再一目的是提供来源于上述菌株的耐碱性木聚糖酶。
本发明的再一目的是提供上述木聚糖酶的基因。
本发明的再一目的是提供包含上述木聚糖酶的重组载体。
本发明的再一目的是提供包含上述木聚糖酶基因的重组菌株。
本发明的再一目的是提供一种制备耐碱性木聚糖酶的方法。
本发明的再一目的是提供上述耐碱性木聚糖酶的应用。
本发明首先所要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种性质优良的、适合于在造纸、饲料、食品、酿酒以及能源工业中应用新的木聚糖酶。本发明的发明人筛选到一种天然菌株,它所产生的木聚糖酶适合于在造纸、饲料、食品、酿酒以及能源工业中使用。该嗜热、耐碱性的厌氧芽孢杆菌属Anoxybacillus flavithermusE2,于2009年6月29日保存于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(北京市朝阳区大屯路,中国科学院微生物研究所,100101),其保藏号为:CGMCC No.3148。
从上述菌株中获得了一种耐碱性木聚糖酶XynE2,其氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示:
MIPSLREVYKEYFRIGAAVSPITIKTQKDLLVSHVNSITAENHMKFEHLQPKEGEFTFEQADEIVHFALSNNMVVRGHTLVWHNQTPTWMFYDREGKVIG RELLFERLKAHISTVVRRYKGKVYCWDVVNEAVADEGNDLLRISRWSEIAGMEFIEKAFLYAREADPNALLFYNDYNESFPEKREKIYKLVKSLLEKHIP VDGIGLQAHWSLTRPTLEEIRLAIERYASLGVQLHITELDISMFEFDDHRNDLIEPTDQMVDKQAERYDQIFSLFKEYSDVIRNVTFWGIADDYTWLDNF
其中,该酶基因编码328个氨基酸。因此,成熟的耐碱性木聚糖酶XynE2的理论分子量为38.8kDa。
该木聚糖酶XynE2同时具有好的热稳定性、在较宽的pH范围内具有较高的pH稳定性、耐碱性等特性。本发明筛选到的嗜热、耐碱性的厌氧芽孢杆菌属Anoxybacillussp.E2,所产生的木聚糖酶,其最适pH值为7.8,在pH6.6~8.6的范围内维持90%以上的酶活性;最适温度为65℃,在60℃下处理60分钟,酶活基本没有损失。这种性质的木聚糖酶具有潜在的应用价值。
本发明还提供了编码上述耐碱性木聚糖酶XynE2的基因xynE2。
该酶的全基因序列如SEQ ID NO.2所示:
ATGATTCCGTCGTTACGTGAAGTATACAAAGAATATTTTCGCATTGGTGCTGCTGTTAGCCCTATTACAATTAAAACGCAAAAAGATCTATTAGTAAGCCATGTGAATAGTATTACTGCCGAAAATCATATGAAATTTGAACATCTCCAACCGAAAGAAGGGGAATTTACTTTTGAACAGGCTGATGAAATTGTTCATTTTGCCTTATCTAACAACATGGTAGTACGCGGCCATACCCTCGTATGGCATAACCAAACTCCGACTTGGATGTTTTATGATCGAGAAGGAAAGGTAATTGGAAGAGAATTGTTATTTGAACGGTTGAAAGCACATATTTCAACTGTTGTACGGCGATATAAGGGAAAAGTGTACTGTTGGGATGTCGTTAATGAGGCCGTTGCGGATGAAGGTAACGATTTATTGCGTATTTCTAGATGGAGTGAAATAGCCGGCATGGAATTCATCGAGAAGGCATTTCTTTATGCACGGGAAGCTGATCCAAATGCCCTTTTATTTTACAACGATTATAATGAGTCATTTCCTGAAAAAAGGGAGAAAATTTACAAGTTAGTGAAGTCACTACTTGAAAAACACATACCAGTTGATGGTATAGGGTTGCAAGCACATTGGAGTTTGACTCGTCCAACATTAGAAGAGATTCGTTTAGCTATTGAACGATACGCCTCCCTCGGCGTCCAACTACATATTACAGAGTTGGACATATCCATGTTCGAGTTTGATGATCATCGAAATGATTTAATCGAGCCGACGGATCAAATGGTTGATAAGCAAGCGGAGCGATATGACCAAATTTTTTCTTTATTTAAGGAGTACAGCGATGTCATTCGGAATGTAACATTTTGGGGCATTGCAGATGATTATACATGGCTTGATAATTTTCCAGTCAAGCAAAGAAAAAATTGGCCGTTTTTGTTTGATGAAAATCATCAGCCGAAGCCAACTTTTTGGAAAGTTTGTACATGTTAA
本发明通过PCR的方法分离克隆了这一木聚糖酶基因xynE2,DNA全序列分析结果表明,木聚糖酶XynE2结构基因xynE2全长987bp,成熟蛋白理论分子量为38.8kDa。将木聚糖酶基因xynE2序列及推导出的氨基酸序列在GenBank中进行BLAST比对。该基因与来源于Geobacillus stearothermophilus的木聚糖酶的核苷酸序列一致性为71%,氨基酸序列一致性为72%,说明XynE2是一种新的木聚糖酶。为此基因的改造、并在各种外源基因表达***中高效表达提供优良的基因材料。
本发明还提供了包含上述木聚糖酶基因的重组载体,优选为pET-xynE2。将本发明的木聚糖酶基因***到表达载体合适的限制性酶切位点之间,使其核苷酸序列可操作的与表达调控序列相连接。作为本发明的一个最优选的实施方案,优选为将木聚糖酶基因***到质粒pET-22b(+)上的NcoI和HindIII限制性酶切位点之间,得到重组表达质粒pET-22b(+)-xynE2。
本发明还提供了包含上述木聚糖酶基因的重组菌株,优选为大肠杆菌BL21(DE3)/xynE2。
本发明还提供了一种制备耐碱性木聚糖酶的方法,包括以下步骤:
1)用上述重组载体转化宿主细胞,得重组菌株;
2)培养重组菌株,诱导重组木聚糖酶的表达;以及
3)回收并纯化所表达的木聚糖酶。
其中,优选所述宿主细胞为大肠杆菌、酵母菌、芽孢杆菌或乳酸杆菌。优选将重组表达质粒转化E.coli BL21(DE3),得到重组菌株BL21(DE3)/xynE2。
本发明还提供了上述耐碱性木聚糖酶的应用。
本发明的木聚糖酶最适pH为7.8,在pH6.2~9.4都有较高的酶活性;且热稳定性和pH值稳定性好,非常适于纸浆生物漂白。本木聚糖酶还可以将造纸工业废料及农业废弃物中的木聚糖可被转化为D-木糖单体,而D-木糖又可被细菌、酵母及真菌转化成有价值的燃料。因此,本木聚糖酶在能源工业中的应用也显示出其巨大的潜力。水解产物(木糖和木二糖)可应用在食品行业,作为增稠剂、脂肪代替物和抗冻食品添加剂;在制药工业中木聚糖与其它物质结合使用,可以延缓药物成分的释放。木聚糖的水解产物还可以进一步转化为液体燃料、单细胞蛋白、溶剂和低热量甜味剂。
附图说明
本发明的发明人分离得到嗜热、耐碱性的厌氧芽孢杆菌属Anoxybacillusflavithermus E2,于2009年6月29日保存于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(北京市朝阳区大屯路,中国科学院微生物研究所,100101),其保藏号为:CGMCC No.3148。
图1为xynE2在E.coli BL21(DE3)中表达的木聚糖酶的SDS-PAGE分析,1:分子量标准;2:未诱导的含有xynE2的大肠杆菌上清液浓缩液;3:诱导的含有xynE2的大肠杆菌上清液浓缩液;4:纯化的重组木聚糖酶。
图2为本发明重组木聚糖酶的最适pH值。
图3为本发明重组木聚糖酶的pH稳定性。
图4为本发明重组木聚糖酶最适温度。
图5为本发明重组木聚糖酶热稳定性。
具体实施方式
试验材料和试剂
1、菌株及载体:Anoxybacillus flavithermus E2由本发明的发明人分离获得,pET-22b(+)表达载体及菌株E.coli BL21(DE3)购自于Novagen公司。
2、酶类及其它生化试剂:内切酶和连接酶购自TaKaRa公司。燕麦木聚糖购自Sigma公司,其它都为国产试剂(均可从普通生化试剂公司购买得到)。
3、培养基:
(1)Anoxybacillus flavithermus E2培养基:0.2%蛋白胨、0.1%酵母提取物,pH8.0。
注:氢氧化钠调节pH。
(2)大肠杆菌培养基LB(1%蛋白胨、0.5%酵母提取物、1%NaCl,pH7.0)。
说明:以下实施例中未作具体说明的分子生物学实验方法,均参照《分子克隆实验指南》(第三版)J.萨姆布鲁克一书中所列的具体方法进行,或者按照试剂盒和产品说明书进行。
实施例1分离嗜热、耐碱性的厌氧芽孢杆菌属Anoxybacillus flavithermus E2
将来源于云南省保山市热泉的水样,按常规稀释后涂布于筛选培养基(0.2%蛋白胨、0.1%酵母提取物、2%琼脂糖,pH 12.0)上,55℃培养2~3d,挑取菌落在培养基平板划线分离,重复划线分离过程3轮,使菌株纯化。
本菌株在最适生长pH为7.0~10.0,最适温度60℃。该Anoxybacillus flavithermusE2,于2009年6月29日保存于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(北京市朝阳区大屯路,中国科学院微生物研究所,100101),其保藏号为:CGMCC No.3148。
实施例2嗜热、耐碱性的厌氧芽孢杆菌属Anoxybacillus flavithermus E2木聚糖酶编码基因xynE2的克隆
提取嗜热、耐碱性的厌氧芽孢杆菌属Anoxybacillus flavithermus E2基因组DNA:用天根生化提取细菌基因组DNA提取试剂盒提取。
根据第十家族木聚糖酶基因的保守([Y/K/V]-[A/S/H]-[W/Y]-D-V-[V/C/N]-N-E和T-E-[L/I]-D-[I/V/M]-[S/R/A])序列设计合成了简并引物xyl10-F,xyl10-R
xyl10-F:5′-TACKTCTGGGAYGTNGBIAAYGA-3′;
xyl10-R:5′-CTGGATAYRTCNAIYTCNG-3′。
以嗜热、耐碱性的厌氧芽孢杆菌属Anoxybacillus flavithermus E2总DNA为模板进行PCR扩增。PCR反应参数为:94℃变性5min;94℃变性30sec,然后50℃30sec(降落到45℃,每个循环降0.5℃,共10个循环),72℃延伸1min;接着,94℃变性30sec,45℃退火30sec,72℃延伸1min,30个循环后72℃保温10min。得到一约360bp片段,将该片段回收后与pEASY-T3载体相连送上海生工生物工程技术服务有限公司测序。
根据测序得到的核甘酸序列,设计上游和下游各三条TAIL-PCR特异性引物:设计方向为需要扩增的未知区域方向,sp2的位置设计在sp1的内侧,sp3位于sp2的内侧。每两个引物之间的距离没有严格规定,引物长度一般22~30nt,退火温度在60-65℃。并将它们分别命名为usp1,usp2,usp3(上游特异性引物),dsp1,dsp2,dsp3(下游特异性引物)见表1。
表1.木聚糖酶XynE2TAIL-PCR特异性引物
Figure G2009102359427D00061
通过TAIL-PCR得到已知基因序列的侧翼序列,扩增得到产物回收后送上海生工生物工程技术服务有限公司测序。通过Vector NTI 7.0拼接序列,得到xynE2基因全长987bp,编码328个氨基酸和一个终止密码子。其序列与GeneBank上的木聚糖酶基因序列进行同源比较,最高一致性为71%,氨基酸序列最高一致性为72%,证明从Anoxybacillus sp.E2中分离克隆得到的编码木聚糖酶的基因为新基因。
实施例3重组木聚糖酶的制备。
将表达载体pET-22b(+)进行双酶切(NcoI+HindIII),同时将编码木聚糖酶的基因xynE2双酶切(NcoI+HindIII),切出编码成熟木聚糖酶的基因片段与表达载体pET-22b(+)连接,获得含有Anoxybacillus sp.E2木聚糖酶基因xynE2的重组质粒pET-XynE2并转化E.coli BL21(DE3),获得重组菌株BL21(DE3)/xynE2。
取含有重组质粒的BL21(DE3)菌株,接种于200mL LB培养液中,37℃250rpm振荡培养使A600到达0.6。然后加入终浓度为0.8mM的IPTG,于30℃250rpm诱导培养。诱导12h后,离心收集上清。测定木聚糖酶的活力。SDS-PAGE结果(图1)表明,重组木聚糖酶在大肠杆菌中得到了表达。
实施例4重组木聚糖酶的活性分析
DNS法:具体方法如下:在pH7.8,65℃条件下,1mL的反应体系包括100μL适当的稀释酶液,900μL底物,反应10min,加入1.5mL DNS终止反应,沸水煮5min。冷却后540nm测定OD值。1个酶活单位(U)定义为在给定的条件下每分钟释放出1μmol还原糖的酶量。
实施例5重组木聚糖酶XynE2的性质测定
1、重组木聚糖酶XynE2的最适pH和pH稳定性的测定方法如下:
将实施例3纯化的重组木聚糖酶在不同的pH下进行酶促反应以测定其最适pH。性质测定时pH范围为2.6-12.0;性质测定时缓冲液为0.1mol/L柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液(pH 2.6-7.8),0.1mol/L Tris-HCl(8.2-8.8),0.1mol/LGlycine-NaOH(9.0-12.0)。底物木聚糖在不同pH的缓冲液中37℃和65℃下进行木聚糖酶活力测定。结果(图2)表明,XynE2在65℃的最适pH为7.8,在pH6.2~9.4的范围内,酶活性均维持在最大酶活性的40%以上;在37℃的最适pH为5.8,在pH5~10的范围内,酶活性均维持在最大酶活性的80%以上。木聚糖酶于上述各种不同pH的缓冲液中37℃处理60min,再在pH7.8缓冲液体系中65℃下测定酶活性,以研究酶的pH耐性。结果(图3)表明,木聚糖酶在pH4.6~12.0的范围内稳定,说明此酶具有较广的pH稳定性、且耐碱性。
2、木聚糖酶的最适温度及热稳定性测定方法如下:
木聚糖酶的最适温度的测定为在柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液(pH5.8,pH7.8),Glycine-NaOH(pH9.2)缓冲液体系及不同温度下进行酶促反应。耐温性测定为木聚糖酶在不同温度下处理不同时间,再在65℃下进行酶活性测定。酶反应最适温度测定结果(图4)表明,在pH值为5.8时,其最适温度为60℃;pH值为7.8和9.2时,其最适温度为65℃。酶的热稳定性试验表明(图5),60℃处理60min后,酶活基本没有损失。
3、木聚糖酶的Km值测定方法
用不同浓度的木聚糖(Oat spelt xylan From Sigma)为底物,在柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液(pH7.8)缓冲液体系中,65℃下测定酶活性,计算出其在65℃下的km值。经测定,此木聚糖酶在65℃下以燕麦木聚糖为底物的km值为1.55mg/mL,最大反应速度Vmax为6161.43μmol/min·mg。
4、不同金属离子化学试剂对XynE2酶活的影响测定
在酶促反应体系中加入不同浓度的不同的金属离子及化学试剂,研究其对酶活性的影响,各种物质终浓度为1和10mmol/L。在65℃、pH7.8条件下测定酶活性。结果(表2)表明,低浓度的Mg2+、Fe3+和β-巯基乙醇对木聚糖酶XynE2有较强的激活作用。低浓度的Cu2+、Zn2+和Ag+对酶活有较强的抑制作用。高浓度的Cr3+对酶活有明显的激活作用。高浓度的Ca2+、Li+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Pb3+和对酶活有一定的抑制作用。高浓度的Cu2+对酶活有很强的抑制作用,Hg2+和SDS可使酶完全失活。高浓度的其它离子对酶活影响不大。
表2.各种化学试剂对木聚糖酶XynE2活力的影响
Figure G2009102359427D00081
注:“-”代表无法检测。
5、木聚糖酶降解燕麦木聚糖产物的分析如下:
在500μL 1%的木聚糖中加入100μL纯化的酶液,最适温度下保温3~4h。用无水乙醇将酶蛋白沉淀,上清液用2500色谱仪,利用高效阴离子交换色谱-脉冲安培(HPAEC-PAD)检测方法,进行产物中糖种类的分析。分析结果表明:木聚糖酶XynE2降解燕麦木聚糖的产物主要是木糖和木二糖。产物中木糖含量为28.96%,木二糖含量为71.04%。
序列表
<110>中国农业科学院饲料研究所
<120>一种耐碱性木聚糖酶XynE2及其基因和应用
<160>2
<210>1
<211>328
<212>PRT
<213>厌氧芽孢杆菌属(Anoxybacillus flavithermus E2)
<400>1
MIPSLREVYK  EYFRIGAAVS  PITIKTQKDL LVSHVNSITA  ENHMKFEHLQ
PKEGEFTFEQ      60
ADEIVHFALS  NNMVVRGHTL  VWHNQTPTWM  FYDREGKVIG  RELLFERLKA
HISTVVRRYK      120
GKVYCWDVVN  EAVADEGNDL  LRISRWSEIA  GMEFIEKAFL  YAREADPNAL
LFYNDYNESF      180
PEKREKIYKL  VKSLLEKHIP  VDGIGLQAHW  SLTRPTLEEI  RLAIERYASL
GVQLHITELD      240
ISMFEFDDHR  NDLIKPTDQM  VDKQAERYDQ  IFSLFKEYSD  VIRNVTFWGI
ADDYTWLDNF      300
PVKQRKNWPF  LFDENHQPKP  AFWKVCTC                 328
<210>2
<211>
<212>DNA
<213>厌氧芽孢杆菌属(Anoxybacillus flavithermus E2)
<400>2
atgattccgt cgttacgtga agtatacaaa gaatattttc gcattggtgc tgctgttagc    60
cctattacaa ttaaaacgca aaaagatcta ttagtaagcc atgtgaatag tattactgcc    120
gaaaatcata tgaaatttga acatctccaa ccgaaagaag gggaatttac ttttgaacag    180
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gtatggcata accaaactcc gacttggatg ttttatgatc gagaaggaaa ggtaattgga    300
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ttgcgtattt ctagatggag tgaaatagcc ggcatggaat tcatcgagaa ggcatttctt    480
tatgcacggg aagctgatcc aaatgccctt ttattttaca acgattataa tgagtcattt    540
cctgaaaaaa gggagaaaat ttacaagtta gtgaagtcac tacttgaaaa acacatacca    600
gttgatggta tagggttgca agcacattgg agtttgactc gtccaacatt agaagagatt    660
cgtttagcta ttgaacgata cgcctccctc ggcgtccaac tacatattac agagttggac    720
atatccatgt tcgagtttga tgatcatcga aatgatttaa tcgagccgac ggatcaaatg    780
gttgataagc aagcggagcg atatgaccaa attttttctt tatttaagga gtacagcgat    840
gtcattcgga atgtaacatt ttggggcatt gcagatgatt atacatggct tgataatttt    900
ccagtcaagc aaagaaaaaa ttggccgttt ttgtttgatg aaaatcatca gccgaagcca    960
actttttgga aagtttgtac atgttaa                                        987

Claims (10)

1.一种嗜热、耐碱性的厌氧芽孢杆菌属Anoxybacillus flavithermus E2,其保藏号为:CGMCC No.3148。
2.一种耐碱性木聚糖酶XynE2,其特征在于,其氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示。
3.一种耐碱性木聚糖酶基因xynE2,其特征在于,编码权利要求2所述的木聚糖酶。
4.如权利要求3所述的木聚糖酶基因xynE2,其特征在于,其碱基序列如SEQID NO.2所示。
5.包含权利要求3或4所述木聚糖酶基因的重组载体。
6.根据权利要求5所述的重组载体,其特征在于,通过将木聚糖酶基因xynE2***表达载体pET-22b(+)的酶切位点NcoI和HindIII之间而获得所述重组载体。
7.包含权利要求3或4所述木聚糖酶基因的重组菌株。
8.一种制备耐碱性木聚糖酶XynE2的方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)用权利要求5重组载体转化宿主细胞,得重组菌株;
2)培养重组菌株,诱导重组木聚糖酶的表达;以及
3)回收并纯化所表达的木聚糖酶XynE2。
9.如权利要求8所述的方法,其特征在于,所述宿主细胞为大肠杆菌、酵母菌、芽孢杆菌或乳酸杆菌。
10.权利要求2所述的耐碱性木聚糖酶XynE2在造纸工业、食品工业、能源工业的应用。
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