唐自鐘,劉 姍,2,韓學(xué)易,陳 惠,*,孫 蓉,單 志,茍 琳,吳 琦
(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與理學(xué)院,四川雅安625014;2.攀枝花學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院,四川攀枝花617000)
當(dāng)代社會(huì)高速發(fā)展,食品原材料和能源等問題越來越受到世界人民的關(guān)注,纖維素是自然界中含量最多,最豐富的材料,如何利用這一巨大的資源成為研究者最為關(guān)心的問題。最早美國進(jìn)行纖維素材料降解防護(hù)問題時(shí)發(fā)現(xiàn)纖維素經(jīng)微生物降解后,可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)、豐富的生產(chǎn)原料,在擴(kuò)大食品工業(yè)原料和植物原料的綜合利用,提高原料利用率,凈化環(huán)境和開辟新能源等方面具有十分重要的意義,且有望解決自然界不斷產(chǎn)生的固體廢物問題,于是纖維素酶得到了廣泛的關(guān)注。纖維素酶在動(dòng)物飼料、紡織、食品加工、污水處理、中草藥有效成分提取等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用,有效地改善產(chǎn)品質(zhì)量,提高產(chǎn)量,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。
目前纖維素酶的研究主要集中在菌種的篩選,單一基因的克隆與表達(dá),及利用分子技術(shù)對(duì)已研究的纖維素酶進(jìn)行合理化和非合理化突變,以期望得到高酶活的基因。W ilson等[4]利用定點(diǎn)突變技術(shù)對(duì)T.fusca的內(nèi)切葡萄糖苷酶Cel6A進(jìn)行突變,獲得了15個(gè)表面突變體和5個(gè)環(huán)突變體,使其對(duì)羧甲基纖維素的活性提高了175%。當(dāng)前研究對(duì)于纖維素酶的整體沒有一個(gè)總的認(rèn)識(shí),纖維素酶是由三大酶類組成,它們是一個(gè)有機(jī)的整體,才能對(duì)纖維素有一個(gè)很好的降解作用[4-7],如何使其能夠共同表達(dá),目前在大腸桿菌中其他基因的共表達(dá)已有的相關(guān)研究,如龐永奇等[8]將pET30a2Cre和pET23b2loxGFP在大腸桿菌中成功實(shí)現(xiàn)了不相容性共表達(dá);范立強(qiáng)等[9]肉堿脫水酶基因caiB和輔酶合成因子基因caiE的共表達(dá)研究中,比較了相容和不相容表達(dá)系統(tǒng),基于以前研究基礎(chǔ),本研究以實(shí)驗(yàn)室自主得到的β-葡萄糖苷酶基因和內(nèi)切葡聚糖苷酶基因出發(fā),構(gòu)建了這兩種纖維素酶在大腸桿菌中的共表達(dá),以期能提高降解纖維素的能力。
本實(shí)驗(yàn)所用的菌株與載體 列于表1;限制性內(nèi)切酶BglⅡ、Bam HⅠ、XhoⅠ、T4DNA連接酶、SlutionⅠ連接酶、DNAMarker、protein Marker(Low)、高保真酶primeSTAR@HSDNA polymerase、氨芐青霉素鈉 大連TaKaRa Biotech公司;質(zhì)粒提取試劑盒、瓊脂糖凝膠回收試劑盒和PCR產(chǎn)物純化回收試劑盒 上海OMEGA生物技術(shù)有限公司;2×PCR master m ix 天根生化科技有限公司;引物 由上海Invitrogen生物技術(shù)有限公司合成;胰蛋白陳和酵母粉 Oxoid公司;SDS-PAGE凝膠試劑盒 武漢博士德生物公司;Ni-Agarose His標(biāo)簽蛋白純化試劑盒 GE公司美國;其他生物試劑 均為進(jìn)口或國產(chǎn)分析純。
PCR儀(百樂T100)、GenePulser電穿孔儀(bio-rad Gene PulserMXcellTM)、UVP凝膠成像儀(LY-B)、恒壓恒流電泳儀(DYY-Ⅱ) 北京六一;冷凍離心機(jī)(Avanti J-E) Beckman公司等。
1.2.1 重組質(zhì)粒的構(gòu)建 根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室自行克隆得到的內(nèi)切葡聚糖酶基因EG,并連于pUC18的基因序列pUC18-End和外切葡聚糖酶基因BGL并連于pMD19的基因序列pMD19-BGL,分別進(jìn)行生物信息學(xué)分析,設(shè)計(jì)出不含有信號(hào)肽的引物序列,并在5’端和3’端分別引入了相應(yīng)的酶切位點(diǎn),引物序列及引入的酶切位點(diǎn)見表2。
高保真酶PCR擴(kuò)增體系:EG基因片段,模板為質(zhì)粒pUC18-End,擴(kuò)增條件為:95℃預(yù)變性2m in;94℃變性1min,55℃退火1min,72℃延伸2min,30個(gè)循環(huán);72℃延伸8m in。BGL基因片段,模板為質(zhì)粒pMD19-BGL,擴(kuò)增條件為:94℃預(yù)變性4m in;94℃變性50s,61℃退火50s,72℃延伸3m in,30個(gè)循環(huán);72℃延伸10m in。產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)回收,之后將PCR產(chǎn)物和表達(dá)載體質(zhì)粒pET32a和pET30b進(jìn)行相應(yīng)的雙酶切,回收后分別進(jìn)行連接:pET32a與EG相連接;pET30b與BGL相連接。連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH 5α,經(jīng)抗性篩選、菌落PCR、酶切篩選后挑取陽性轉(zhuǎn)化子,測(cè)序。結(jié)果正確的重組子命名為:pET32a-EG和pET30b-BGL。
1.2.2 重組質(zhì)粒的轉(zhuǎn)化 pET32a-EG和pET30b-BGL分別用熱激法轉(zhuǎn)化入大腸桿菌表達(dá)菌株BL21(DE3),作為對(duì)照,同時(shí)將pET32a-EG和pET30b-BGL等量混合后進(jìn)行電擊轉(zhuǎn)化入大腸桿菌BL21(DE3)進(jìn)行電擊共轉(zhuǎn)化,電擊轉(zhuǎn)化程序:電脈沖為25μF,電壓2.5kV,電阻200Ω,時(shí)間4~5ms。pET32a-EG轉(zhuǎn)化子用100mg/L氨芐青霉素(Amp);pET30b-BGL轉(zhuǎn)化子用50mg/L卡那霉素(Kan);共轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化子經(jīng)同時(shí)含有Amp和Kan的雙抗生素LB平板上篩選單菌落,37℃過夜培養(yǎng)后,挑取單菌落進(jìn)行菌落PCR鑒定。
1.2.3 重組菌株的菌落PCR及高酶活菌株的篩選 將經(jīng)相應(yīng)抗生素篩選后的轉(zhuǎn)化子,分別轉(zhuǎn)入到另一個(gè)新鮮的帶有相應(yīng)抗性的平板上,37℃過夜培養(yǎng)后,利用T7引物進(jìn)行菌落PCR鑒定。分別挑取10株鑒定結(jié)果為陽性的轉(zhuǎn)化子進(jìn)行終濃度1mmol/L IPTG誘導(dǎo)表達(dá),收集菌體用1/15mol/L的PBS重懸,超聲破碎后,用上清經(jīng)適當(dāng)稀釋后測(cè)酶活。
1.2.4 酶活力測(cè)定方法
表1 本實(shí)驗(yàn)所用的菌株與載體Table1 The strains and vectors used in this experiment
表2 本實(shí)驗(yàn)中所用到的引物序列Table2 Sequences of primers used in this experiment
1.2.4.1 內(nèi)切葡聚糖酶活力測(cè)定方法 以1m L 1%的羧甲基纖維素鈉(用1/15mol/L pH6.8磷酸鹽緩沖液配制)為底物,加入0.1m L粗酶液,50℃水浴反應(yīng)30m in后,加入2.5m L DNS顯色液,沸水浴煮10m in,取出后在流水下迅速冷卻后定容至5.0m L搖勻,將滅活的酶液作為空白對(duì)照,其他同以上步驟。在530.0nm波長(zhǎng)處測(cè)得各管溶液的吸光值[5,10]。
酶活的定義:1m L酶液每分鐘產(chǎn)生1μg還原糖的酶量作為1個(gè)酶活單位,用U/m L表示。
1.2.4.2 β-葡聚糖酶活力測(cè)定方法 加入0.5m L一定稀釋度的粗酶液,以0.5m L 0.5%的水楊苷為底物,加入0.5m L一定稀釋酶液,于55℃反應(yīng)20m in,加入1m L DNS試劑,充分混合在沸水中煮沸5min,冷卻后用蒸餾水定容至5m L,在540nm波長(zhǎng)處測(cè)定其吸光度,以加熱滅活的酶液為對(duì)照。根據(jù)葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算酶反應(yīng)體系釋放的還原糖的量[6,11]。
酶活定義:1m L酶液在1m in內(nèi)使底物產(chǎn)生1μg還原糖(以葡萄糖計(jì))所需的酶量為1個(gè)酶活單位(U)。
1.2.4.3 共表達(dá)酶活力測(cè)定方法 共表達(dá)酶活以內(nèi)切葡聚糖酶方法進(jìn)行。
1.2.5 蛋白的分離純化 誘導(dǎo)表達(dá)的發(fā)酵液經(jīng)離心收集菌體,按每100mg菌體(濕重)加入1~5m L細(xì)菌裂解液,經(jīng)超聲裂解菌體后,10000r/min,4℃離心3min,收集上清用GE公司生產(chǎn)的預(yù)裝Ni+柱,用10倍柱體積濃度為50mmol/L的咪唑進(jìn)行平衡后,上樣后用15倍柱體積濃度為500mmol/L的咪唑進(jìn)行洗脫,每1m L收集一管,留樣進(jìn)行SDS-PAGE分析。
1.2.6 重組酶酶學(xué)性質(zhì)分析 最適反應(yīng)pH將酶在pH3.0~10的底物中進(jìn)行測(cè)定,pH穩(wěn)定性分析將酶經(jīng)pH 3.0~10的緩沖液中30m in后采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定酶活力,最適反應(yīng)溫度將酶液置于30~90℃反應(yīng)后采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定酶活力,熱穩(wěn)定性的測(cè)定將酶液置于30~90℃下保溫30min,采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定酶活力,以最高酶活作為100%。
以pUC18-End質(zhì)粒和pMD19-BGL為模板用高保真酶進(jìn)行PCR擴(kuò)增,獲得的片斷大小分別約為1500bp和2800bp,與預(yù)計(jì)大小一致,克隆連接入表達(dá)載體,經(jīng)抗性篩選和菌落PCR鑒定后,提取質(zhì)粒采用相應(yīng)的酶進(jìn)行雙酶切分析。pET32a-EG質(zhì)粒,用Bam HⅠ和XhoⅠ酶處理,電泳結(jié)果如圖1所示,酶切過后的載體和目的基因片段大小正確分別為1500bp和5600bp,表達(dá)載體pET32a-EG構(gòu)建成功。
圖1 重組表達(dá)載體pET32a-EG的酶切電泳Fig.1 Restriction analysis of recombinant plasmid pET32a-EG
pET30b-BGL,用BglⅡ和XhoⅠ進(jìn)行單、雙酶切鑒定,電泳檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。
圖2 重組表達(dá)載體pET30b-BGL的酶切電泳Fig.2 Restriction analysis of recombinant plasmid pET30b-BGL
重組質(zhì)粒經(jīng)BglⅡ和XhoⅠ分別單酶切之后的目的條帶大小與預(yù)計(jì)大小一致,酶切條帶單一。經(jīng)BglⅡ和XhoⅠ雙酶切之后,目的基因片段與載體分離,目的基因片段大小和載體大小均正確,確定目的基因和載體連接成功。
將構(gòu)建好的內(nèi)切葡聚糖酶基因表達(dá)載體和外切葡聚糖酶基因表達(dá)載體通過電轉(zhuǎn)化法轉(zhuǎn)入BL21菌株中,經(jīng)(含Amp 100μg/m L和Kan 50μg/m L)雙抗篩選后,得到的陽性轉(zhuǎn)化子進(jìn)行菌落PCR鑒定,以T7up和T7down為引物,PCR擴(kuò)增結(jié)果如圖3所示,兩條帶大小分別為1500bp和2800bp。
圖3 菌落PCRFig.3 Colony PCR identification
分別從相應(yīng)抗性的平板上各挑取10個(gè)陽性轉(zhuǎn)化子,經(jīng)終濃度為1mmol/L IPTG誘導(dǎo)后,測(cè)酶活。測(cè)得酶活如表3所示,從表中分析結(jié)果可知,共轉(zhuǎn)化菌株酶活最高的是2號(hào),酶活可達(dá)到1196.8U/m L,將其命名為pET32a-EG-pET30b-BGL;pET30b-BGL重組轉(zhuǎn)化菌株酶活最高是5號(hào),酶活可達(dá)到219.6U/m L,命名為pET30b-BGL;pET32a-EG重組轉(zhuǎn)化菌株酶活最高的是10號(hào),酶活可達(dá)到826.5U/m L,命名為pET32a-EG。
分別對(duì)篩選出三種酶活較高的基因工程菌pET32a-EG-pET30b-BGL、pET30b-BGL、pET32a-EG的細(xì)胞裂解物進(jìn)行SDS-PAGE凝膠電泳分析,如圖4所示,5號(hào)和6號(hào)都出現(xiàn)一條帶,相對(duì)分子量大約為55ku或90ku,7號(hào)出現(xiàn)兩條帶,相對(duì)分子量大約為55ku和90ku,與理論計(jì)算大小相符,結(jié)果表明內(nèi)切葡聚糖酶和β葡萄糖苷酶在大腸桿菌中共同得到高效表達(dá)。1號(hào)和2號(hào)是含空載體大腸桿菌的細(xì)胞裂解物中,不存在目的條帶,與預(yù)期結(jié)果相符。
表3 三種酶活性比較Table3 Enzymatic activity comparison of three enzyme
圖4 三種酶表達(dá)產(chǎn)物的SDS-PAGE分析Fig.4 SDS-PAGE analysis of expression of three reconstructed enzyme
蛋白質(zhì)的分離純化方法參照Ni2+柱純化操作方法純化后,得到單一的條帶,條帶大小也與目的蛋白大小預(yù)期一致,分別為55ku和90ku,如圖5所示。
圖5 純化后目的蛋白SDS-PAGEFig.5 SDS-PAGE analysis of purification protein
2.5.1 重組酶最適反應(yīng)pH測(cè)定 取適當(dāng)稀釋的純化后的酶液在不同pH條件下與底物共同反應(yīng)30m in后,測(cè)定其酶活,結(jié)果如圖6所示,重組共表達(dá)酶(pET32a-EG-pET30b-BGL)、重組內(nèi)切葡聚糖酶(pET32a-EG)和重組β-葡萄糖苷酶(pET30b-BGL)的最適反應(yīng)pH均為6.0,在pH為6.0的環(huán)境下,三種重組酶均能達(dá)到最大酶活力。
圖6 三種酶的最適反應(yīng)pHFig.6 pH profile of the three reconstructed enzyme
圖7 三種酶的pH穩(wěn)定性Fig.7 pH stability of the three reconstructed enzyme
2.5.2 重組酶pH穩(wěn)定性的測(cè)定 取適當(dāng)稀釋的酶液在不同pH下處理后采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定其酶活結(jié)果如圖7所示,共表達(dá)酶(pET32a-EG-pET30b-BGL)在pH 5~7之間較為穩(wěn)定,能保持最高酶活的80%以上,β-葡萄糖苷酶(pET30b-BGL)在pH偏酸性的環(huán)境中較為穩(wěn)定,在pH4~6的環(huán)境中處理后,其殘余酶活力仍能保持最高酶活的80%。內(nèi)切葡聚糖酶(pET32a-EG)在pH5~9酶活力相對(duì)穩(wěn)定,可以保持在最高酶活的80%以上。
2.5.3 重組酶最適溫度測(cè)定 取適當(dāng)稀釋的酶液不同的溫度下與底物共同反應(yīng)30m in后,測(cè)定其酶活,結(jié)果如圖8所示,重組共表達(dá)酶(pET32a-EG-pET30b-BGL)、重組內(nèi)切葡聚糖酶(pET32a-EG)的最適反應(yīng)溫度均為60℃,重組β-葡萄糖苷酶(pET30b-BGL)的最適反應(yīng)溫度為50℃,在最適反應(yīng)pH為6.0的環(huán)境下,三種重組酶在各自的最適反應(yīng)溫度下均能達(dá)到最大酶活力。
圖8 三種酶的最適反應(yīng)溫度Fig.8 Optimal temperature of the three reconstructed enzyme
2.5.4 重組酶溫度穩(wěn)定性測(cè)定 取適當(dāng)稀釋的酶液在不同的溫度下處理后,采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定其酶活,結(jié)果如圖9所示,共表達(dá)酶共表達(dá)酶(pET32a-EG-pET30b-BGL)和內(nèi)切葡聚糖酶(pET32a-EG)在30~60℃范圍內(nèi)穩(wěn)定性良好,β-葡萄糖苷酶(pET30b-BGL)在30~50℃穩(wěn)定性良好,隨著溫度的逐漸升高,超過50℃,β-葡萄糖苷酶(pET30b-BGL)酶活急劇下降,60℃時(shí)酶活僅為最高酶活的10%,溫度高于80℃時(shí)共表達(dá)酶和內(nèi)切葡聚糖酶酶活迅速下降。
圖9 三種酶熱穩(wěn)定性分析Fig.9 Heat stability of the three reconstructed enzyme
隨著基因克隆技術(shù)的飛速發(fā)展,許多外源基因在不同的表達(dá)載體中進(jìn)行表達(dá),但是,很多生物學(xué)功能并不是由一個(gè)基因或一種蛋白來控制和完成的,它需要多個(gè)相關(guān)基因或蛋白的共同作用[12-14]。比如纖維素酶,就是有三種酶共同作用來分解纖維素的,因此,研究多個(gè)外源基因在同一宿主細(xì)胞中的共表達(dá)具有現(xiàn)實(shí)的意義和重要的應(yīng)用價(jià)值。雙質(zhì)粒共表達(dá)系統(tǒng)是將兩個(gè)外源基因,分別構(gòu)建到不同抗性的載體中,然后把兩個(gè)載體通過電轉(zhuǎn)化法整合到大腸桿菌中,實(shí)現(xiàn)共表達(dá)[8,15-16]。主要分為兩種,一種是復(fù)制子相同的不相容性雙質(zhì)粒,另一種是復(fù)制子不同的相容性雙質(zhì)粒。由于目前較難找到復(fù)制子不相同的兩種載體,因此復(fù)制子相同的不相容雙質(zhì)粒系統(tǒng)操作更加簡(jiǎn)便,更具有實(shí)用性[9,14]。楊巍等[14]利用不相容雙質(zhì)粒系統(tǒng),將DNA撕裂因子的2個(gè)亞基DFF45和DFF40基因利用不同抗性不相容雙質(zhì)粒系統(tǒng)在大腸桿菌BL21(DE3)中進(jìn)行了共表達(dá)。范立強(qiáng)等[9]在關(guān)于大腸桿菌肉堿脫水酶基因caiB及其輔酶合成因子基因caiE的共表達(dá)研究中,對(duì)相容和不相容這2種雙質(zhì)粒系統(tǒng)進(jìn)行了比較,結(jié)果證明了2種相容質(zhì)粒和不相容質(zhì)粒都能共存于宿主細(xì)胞中,其轉(zhuǎn)化子的數(shù)量相近;同時(shí)證明了含相容質(zhì)粒菌體的存活率的不恒定性,不相容雙質(zhì)粒系統(tǒng)成功因素主要有有質(zhì)粒選擇、轉(zhuǎn)化和培養(yǎng)時(shí)間,對(duì)于質(zhì)粒的選擇,既要考慮抗性的不同,還要保證外源基因能高效表達(dá),因此還要為基因工程的下游研究打好基礎(chǔ)[17-20]。
本實(shí)驗(yàn)采用的是不相容雙質(zhì)粒表達(dá)系統(tǒng),分別構(gòu)建好pET32a-EG和pET30b-BGL,然后通過電擊轉(zhuǎn)化法,將構(gòu)建好的兩種重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化到制備好的感受態(tài)細(xì)胞中,通過氨芐和卡那這兩種抗生素進(jìn)行雙抗篩選,在雙抗的脅迫下,使其兩種不相容質(zhì)粒在同一宿主菌中穩(wěn)定存在,使兩個(gè)外源基因在大腸桿菌中首次實(shí)現(xiàn)了共同表達(dá),其酶活為1196.8U/m L,比單一酶組分的酶活力要高,通過酶學(xué)性質(zhì)分析顯示共表達(dá)酶的最適反應(yīng)pH為6.0,最適反應(yīng)溫度60℃,在pH5~7范圍區(qū)間內(nèi)能保持較高的pH穩(wěn)定性,能夠達(dá)到最高酶活的80%以上。在30~60℃范圍能有較高的溫度穩(wěn)定性,酶活維持在80%以上。這一結(jié)果符合纖維素酶的協(xié)同學(xué)說,內(nèi)切葡聚糖酶主要作用于纖維素的非結(jié)晶區(qū),從還原端或非還原端切下纖維二糖,β-葡聚糖苷酶水解纖維二糖成二個(gè)葡萄糖。在本研究中,共表達(dá)產(chǎn)生的兩種纖維素酶,內(nèi)切葡聚糖酶和β-葡聚糖苷酶在對(duì)可溶性底物羧甲基纖維素鈉降解過程中,纖維二糖的生成累積,被β-葡聚糖苷酶降解成了葡萄糖,使得纖維二糖對(duì)內(nèi)切葡聚糖酶的一個(gè)反抑制作用減弱了,這就使得其能持續(xù)穩(wěn)定地降解[5-7]。從而使酶活力發(fā)揮最大作用。這一研究結(jié)果將具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值,同時(shí)為纖維素酶共表達(dá)的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。
本研究利用pET32a和pET30b兩個(gè)載體的不同抗性的特性,在大腸桿菌中將β-葡萄糖苷酶基因和內(nèi)切葡聚糖苷酶基因,實(shí)現(xiàn)了不相容性共表達(dá),獲得了產(chǎn)兩種酶的工程菌,酶活力可達(dá)1196.8U/m L。比單一酶組分的酶活力高,酶學(xué)性質(zhì)分析顯示共表達(dá)酶的最適反應(yīng)pH為6.0,最適反應(yīng)溫度60℃,在pH 5~7范圍內(nèi)能保持較高活性,酶活可達(dá)最高酶活的80%以上。在30~60℃范圍能有較高的溫度穩(wěn)定性,酶活維持在80%以上。這一結(jié)果將為工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)一步研究提供理論基礎(chǔ)。
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