枯草芽孢杆菌WY-34是该实验室筛选的1 株高产甘露聚糖酶的菌株,前期研究从中克隆了1 个GH46家族壳聚糖酶基因并在大肠杆菌中表达,但不适宜工业化应用。为提高该酶工业应用前景,北京食品营养与人类健康高精尖创新中心,中国农业大学食品科学与营养工程学院的马 帅、杨绍青、江正强*等人将该酶在巴斯德毕赤酵母GS115中表达,并研究重组酶的性质和酶解特性。
1、壳聚糖酶基因密码子优化及其在毕赤酵母中的高效表达
本研究通过密码子优化使得目的基因的密码子适应指数显着提高,具有在巴斯德毕赤酵母中高效表达的潜力。在一定范围内,增加基因拷贝数能够提高蛋白表达量。研究通过G418抗性为筛选标记,从G418质量浓度为3 mg/mL的平板上筛选了1 株高壳聚糖酶活性的转化子,相当于12 个基因拷贝数,一定程度提高了蛋白表达量。
2、BsCsn46的纯化
粗酶和纯酶均有2 条明显条带,酶谱显示两条带均有壳聚糖酶活性;纯酶经Endo H处理后显示为一条带,说明重组酶发生了部分糖基化现象。纯酶经凝胶过滤法及SDS-PAGE法测得两条目的带分子质量分别为39、34 kDa及38、32 kDa,说明该酶为单亚基蛋白。
3、BsCsn46的酶学性质分析
BsCsn46最适pH值为6.0,在pH 4.5~10.0的缓冲液中处理30 min后,保持90%以上的残余酶活力 ;该酶最适温度为55 ℃,45 ℃以下处理30 min酶活力几乎没有变化;该酶在45、50 ℃及55 ℃的半衰期分别为3 468.4、91.9 min及4.9 min。
4、BsCsn46的底物特异性及水解特性
水解0.25 h,即有三糖、四糖、五糖及少量六糖产生,随着时间延长,寡糖量逐渐增加,寡聚度逐渐变小,同时没有检测到单糖的产生,这些结果说明该酶为内切型壳聚糖酶。
5、水解壳聚糖制备壳寡糖
采用冷冻干燥法定量分析水解产物,水解率为92.8%,壳寡糖得率为90.9%。采用HPAEC法对水解主产物定量分析,主要产物为二糖、三糖和四糖,其得率为77.2%,二糖、三糖和四糖占总可溶性壳寡糖的比例分别为30.6%、46.9%和4.3%。
结论
本研究采用密码子优化和高密度发酵技术成功将枯草芽孢杆菌壳聚糖酶基因在毕赤酵母中实现了高水平表达,经5 L发酵罐高密度发酵后胞外壳聚糖酶活力达50 370 U/mL,蛋白质量浓度为15.7 mg/mL,为文献报道的最高水平。该壳聚糖酶水解3 g/100 mL的壳聚糖时有较高的壳寡糖得率(90.9%)和水解率(92.8%),水解产物主要为壳二糖、壳三糖和少量壳四糖,表明该酶具有工业化生产壳寡糖的潜力。