劉曉玲,王金晶,李永仙,朱林江,李崎
1(江南大學(xué)工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無錫,214122)2(江南大學(xué)生物工程學(xué)院釀酒科學(xué)與工程研究室,江蘇無錫,214122)
大麥作為一種重要的工業(yè)原料,被廣泛應(yīng)用于啤酒釀造工業(yè)及飼料工業(yè)。但其胚乳細(xì)胞壁中含有的豐富的β-1,3-1,4-葡聚糖會對其應(yīng)用造成一定的障礙,如麥芽中殘留的β-葡聚糖不但會降低麥汁的過濾速率,而且會造成成品啤酒的非生物渾濁。再者,飼料中使用大量大麥,由于動物體內(nèi)沒有可降解β-葡聚糖的酶系,使動物消化道不能降解大麥細(xì)胞壁,降低飼料的利用率,同時可能導(dǎo)致家畜腸道疾?。?]。因此,在糖化過程中或飼料中添加適量的β-1,3-1,4-葡聚糖酶將有效緩解上述問題。目前市場上所使用的β-1,3-1,4-葡聚糖酶主要來源于真菌發(fā)酵生產(chǎn),價格較昂貴。構(gòu)建高效表達(dá)的基因工程菌株生產(chǎn)β-1,3-1,4-葡聚糖酶成為研究熱點(diǎn)。山其木格等[2]將來源于地衣芽孢桿菌WS-6的β-1,3-1,4-葡聚糖酶在大腸桿菌BL21中成功表達(dá),胞外酶活力為1 131.2 U/mL。李衛(wèi)芬等[3]利用載體pET-30a在大腸桿菌中成功表達(dá)了浸麻芽孢桿菌的β-1,3-1,4-葡聚糖酶基因,胞外酶活力為 60.4 U/mL。謝焱[4]、李永仙等[5]在大腸桿菌中表達(dá)了來源于淀粉液化芽孢桿菌BS5582的β-1,3-1,4-葡聚糖酶基因,培養(yǎng)基優(yōu)化后誘導(dǎo)表達(dá)酶活為1 570.83 U/mL。本實(shí)驗(yàn)室選育的1株特基拉芽孢桿菌(Bacillus tequilensis),具有分泌 β-1,3-1,4-葡聚糖酶的能力,經(jīng)序列比對后發(fā)現(xiàn)該酶基因與枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)相似度為97.93%,與萎縮芽孢桿菌(Bacillus atrophaeus)相似度為94.24%,與淀粉液化芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens)BS5582相似度為92.98%,與 地衣芽孢桿菌(Bacillus licheniformis)和 短小芽孢桿菌(Bacillus pumilus)相似度分別為89.3% 和85.6%,序列上傳GenBank后所獲登錄號JX412372。為進(jìn)一步研究該葡聚糖酶的性質(zhì),將其基因在大腸桿菌中進(jìn)行表達(dá)并獲得成功。本次研究采用響應(yīng)面法(RSM)優(yōu)化培養(yǎng)基組分,以期得到更好的表達(dá)效果,為重組β-1,3-1,4-葡聚糖酶的規(guī)?;a(chǎn)及應(yīng)用提供理論依據(jù)。
重組大腸桿菌(Escherichia coli)BL21(DE3)-pET-28a(+)-bgl為本實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建,用于表達(dá)來源于特基拉芽孢桿菌B.tequilensis CGX5-1的β-1,3-1,4-葡聚糖酶基因bgl,其中bgl含有該酶自身信號肽序列,表達(dá)產(chǎn)物可直接分泌至胞外。
本次研究所使用種子培養(yǎng)基為LB培養(yǎng)基(tryptone 10 g/L,yeast extract 5 g/L,NaCl 10 g/L,pH 7.0),初始發(fā)酵培養(yǎng)基分別為TB培養(yǎng)基(yeast extract 24 g/L,tryptone 6 g/L,甘油 4 mL,蒸餾水 900 mL,KH2PO42.31 g/L,K2HPO42.54 g/L)、SB 培養(yǎng)基(yeast extract 30 g/L,tryptone 20 g/L,葡萄糖20 g/L)和M9培養(yǎng)基(參見分子克隆指南)。誘導(dǎo)劑為IPTG和乳糖[7-8]。
1.2.1 培養(yǎng)方法
菌種活化:取甘油保藏管中融化的菌液劃線至卡納霉素(濃度50 μg/mL)抗性平板上,37℃培養(yǎng)至形成明顯單菌落。
種子培養(yǎng):挑取一單菌落接種至新鮮種子培養(yǎng)基(含終濃度50 μg/mL卡納霉素)中,37 ℃,200 r/min培養(yǎng)12 h,以4%接種量轉(zhuǎn)接至新鮮種子培養(yǎng)基(含終濃度50 μg/mL卡納霉素)中,培養(yǎng)至OD600=1.2~1.5時,即為種子液。
搖瓶發(fā)酵:將種子液以8%接種量轉(zhuǎn)移至發(fā)酵培養(yǎng)基(含終濃度50 μg/mL卡納霉素)中,37℃,200 r/min培養(yǎng)至OD600=1.0,加入誘導(dǎo)劑乳糖(終濃度8 mmol/L)和IPTG(終濃度0.06 mmol/L)后,于24℃低溫誘導(dǎo)發(fā)酵。
1.2.2 酶活測定方法
發(fā)酵液8 000 r/min離心3 min后取出上清液,用蒸餾水稀釋合理倍數(shù)后,于40℃預(yù)熱。用等體積預(yù)熱至40℃的20 mmol/L pH 6.0的磷酸緩沖液稀釋的藍(lán)色大麥β-葡聚糖溶液(Megazyme公司)。取0.1 mL稀釋酶液加入0.4 mL藍(lán)色大麥β-葡聚糖底物中,于40℃反應(yīng)10 min后向每個樣品中加入3 mL沉淀液(由硫酸鋅、乙二醇甲醚、鹽酸、乙酸鈉配制而成)后立即混勻,靜置5 min后離心,測定上清液A590值,對照組為先加入沉淀液后加入藍(lán)色大麥β-葡聚糖底物的稀釋酶液。
β-1,3-1,4-葡聚糖酶酶活力的定義為:1 mL 發(fā)酵液于40℃、pH 6.0,每分鐘分解大麥β-葡聚糖產(chǎn)生1 μmol還原糖定義為1個酶活單位(U)。
1.2.3 響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
本研究以β-葡聚糖酶活為因變量(Y),TB培養(yǎng)基各組分為變量(X),利用Minitab16軟件進(jìn)行25-1部分重復(fù)因子設(shè)計(jì),每一獨(dú)立變量在高(+1)和低(-1)兩個水平上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)結(jié)果如表1所示。
表1 部分因子設(shè)計(jì)編碼值及水平
將部分因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果與中心點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行t檢驗(yàn),根據(jù)t檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行最速上升實(shí)驗(yàn)。
根據(jù)中心組合設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后,對結(jié)果進(jìn)行二次回歸擬合,得到平方項(xiàng)和交互項(xiàng)的二次方程,分析各因素的主效應(yīng)和交互效應(yīng),可在一定水平范圍內(nèi)求出最佳值。二次回歸模型可表述為方程:
其中:Y為預(yù)測響應(yīng)值,即發(fā)酵液β-葡聚糖酶的酶活;b0為截距,bi,bii,bij為回歸方程的線性系數(shù)、二次項(xiàng)參數(shù)和交互參數(shù);xi和xj是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因子的編碼值。
通過響應(yīng)面分析可以對影響β-葡聚糖酶合成的因素及其交互作用進(jìn)行評價,并能對培養(yǎng)基各組分的濃度分別進(jìn)行優(yōu)化,以獲得影響過程的最佳配比。
在相同的培養(yǎng)條件下,培養(yǎng)基營養(yǎng)成分不同會直接影響細(xì)胞增殖,從而影響到產(chǎn)物的表達(dá)效率。為了獲得較高的生物量及表達(dá)效率,本研究使用TB、LB、SB及M9四種常見培養(yǎng)基進(jìn)行重組菌的發(fā)酵培養(yǎng),使用相同的誘導(dǎo)條件,結(jié)果如圖1所示。
圖1 重組大腸桿菌在不同培養(yǎng)基中的生長狀況Fig.1 Grouth curve of recombinant E.coli in different fermentation mediums
根據(jù)圖1中所得重組菌在個培養(yǎng)基中最大OD600值對照菌體干重與光密度校準(zhǔn)曲線可知,在TB、LB、SB及M9培養(yǎng)基中最大生物量分別為6.79 g/L、1.72 g/L、2.59 g/L 及 1.28 g/L,胞外 β-葡聚糖酶活力最高值分別為1 671.9 U/mL、330.2 U/mL、375.3 U/mL及293.7 U/mL,由此可知TB培養(yǎng)基為最適發(fā)酵產(chǎn)酶培養(yǎng)基。
為了進(jìn)一步提高目的蛋白的表達(dá)量,本研究以TB培養(yǎng)基作為初始發(fā)酵培養(yǎng)基,對其成分進(jìn)行優(yōu)化。首先研究不同碳源物質(zhì)如甘油、葡萄糖、乳糖、蔗糖、果糖、麥芽糖、可溶性淀粉、小麥粉、大麥粉及玉米粉等對β-葡聚糖酶產(chǎn)量的影響。各物質(zhì)添加量均為5 g/L,由圖2可知,相同添加量下,以甘油為碳源時β-葡聚糖酶活力最高,可能是甘油作為小分子物質(zhì)更易被細(xì)胞攝取并直接利用。而葡萄糖為碳源時酶活力最低,由于葡萄糖的分解代謝產(chǎn)物會對質(zhì)粒中的lac操縱子造成阻遏效應(yīng),進(jìn)而影響目的基因的表達(dá)。其他碳源物質(zhì)如玉米粉、大麥粉等雖然產(chǎn)量也較高,但需額外添加高溫淀粉酶以消化原料,故不予采用。
圖2 不同碳源對β-葡聚糖酶表達(dá)量的影響Fig.2 Effects of different carbon source on the production of β-1,3-1,4-glucanse
圖3 不同氮源對β-葡聚糖酶表達(dá)量的影響Fig.3 Effects of different nitrogen source on the production of β-1,3-1,4-glucanse
保持TB培養(yǎng)基其他成分不發(fā)生變化,分別添加相同氮原子摩爾數(shù)的5種有機(jī)氮源和4種無機(jī)氮源。結(jié)果如圖3所示,使用無機(jī)氮源時β-葡聚糖酶活力僅為有機(jī)氮源最高酶活力的10%左右,可能無機(jī)氮源僅能維持細(xì)胞生長,而不能為大量合成的目的蛋白提供原料。Tryptone為進(jìn)口培養(yǎng)基,而胰蛋白胨為國產(chǎn)培養(yǎng)基,雖同為胰蛋白胨,然二者對 β-1,3-1,4-葡聚糖酶活力影響明顯不同,分析后發(fā)現(xiàn),二者的氨基酸種類并無差別,僅個別氨基酸含量差異較大,可能國產(chǎn)胰蛋白胨的純度較低,其微量雜質(zhì)反而更有利于重組菌的生長。有機(jī)氮源中效果最顯著的為Yeast extract和胰蛋白胨,Yeast extract除了含有大量氨基酸外還有核酸、維生素類等微生物生長所必須的營養(yǎng)因子,相對而言,胰蛋白胨組成成分較為單一,考慮到二者在營養(yǎng)成分上可互補(bǔ),故選擇兩者作為復(fù)合氮源。復(fù)合氮源配比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)二者共同為復(fù)合氮源時β-1,3-1,4-葡聚糖酶活力比單一氮源時高(數(shù)據(jù)未顯示)。李永仙[9]、房淑穎[10]在對重組大腸桿菌的培養(yǎng)基進(jìn)行優(yōu)化時,均使用復(fù)合氮源而非單一氮源,不但能夠提高目的蛋白產(chǎn)量而且會降低培養(yǎng)基成本。
表2 部分因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Experimental design and results of FFD
對部分因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析可知,考察的因素中 Yeast extract和 KH2PO4對 β -1,3-1,4- 葡聚糖酶合成具有負(fù)效應(yīng),故對這2個因素取低水平值。胰蛋白胨、甘油和 K2HPO4對 β -1,3-1,4-葡聚糖酶合成具有正效應(yīng),故對其取高水平值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析如表3所示,其中P值小于0.05的因素可認(rèn)為其對發(fā)酵結(jié)果的影響顯著??芍鹊鞍纂?0.001)和甘油(0.000)是顯著影響因子。
表3 部分因子實(shí)驗(yàn)回歸分析結(jié)果Table 3 Regression results of FFD
由回歸分析結(jié)果可得一次擬合線性回歸方程:
實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷幕貧w方程決定系數(shù)R2=92.9%,調(diào)整決定系數(shù)=90.4%,說明模型可以很好地解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
從回歸方程中胰蛋白胨和甘油的系數(shù)(X2:55.5,X3:364)可以得這兩個因素步移的步長之比為(1∶6.56),即當(dāng)胰蛋白胨步移1個單位(1 g/L)時,甘油步移6.56 mL/L。以部分因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的中心點(diǎn)作為步移的起點(diǎn),實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,步移啟動時β-葡聚糖酶酶活隨著胰蛋白胨與甘油濃度的升高而增加,在步移進(jìn)行至第二步時達(dá)到最高點(diǎn)(2 915.2 U/mL),之后β-葡聚糖酶活開始下降。步移最高點(diǎn)時胰蛋白胨與甘油的濃度分別為13 g/L和10.56 mL/L,這一點(diǎn)被用作響應(yīng)面分析中心點(diǎn)
表4 最速上升實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Experimental results of steepest ascent path
以上研究利用部分因子設(shè)計(jì)確定了胰蛋白胨和甘油兩個顯著影響因素后,利用最速上升實(shí)驗(yàn)確定了最優(yōu)的取值范圍。此部分研究利用基于中心組合設(shè)計(jì)的響應(yīng)面分析法對這兩個因素進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。
中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表5所示,共有13個實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。13個實(shí)驗(yàn)點(diǎn)可分為兩類:一類是析因點(diǎn),即自變量取值在X2、X3所構(gòu)成的三維頂點(diǎn),共有8個析因點(diǎn);另一類是零點(diǎn),為區(qū)域的中心點(diǎn),零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次,用以估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差。
表5 中心組合設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 5 Design and results of central composite design
以胰蛋白胨和甘油為自變量,β-葡聚糖酶活為響應(yīng)值,利用Minitab 16.0分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析結(jié)果如表6所示,所得數(shù)學(xué)模型為:
表6 中心組合實(shí)驗(yàn)回歸分析結(jié)果Table 6 Regression results of CCD
其中Y為響應(yīng)值(β-葡聚糖酶酶活),X2為胰蛋白胨濃度,X3為甘油濃度?;貧w方程各項(xiàng)的方差分析表明,方程一次項(xiàng)與二次項(xiàng)的p值均小于0.05,說明胰蛋白胨與甘油的單獨(dú)影響與交互影響都較為顯著。實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷幕貧w方程決定系數(shù)R2=96.65%,調(diào)整決定系數(shù)R2
Adj=94.26%,說明模型可以很好地解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
對中心組合設(shè)計(jì)確定的各參數(shù)取值范圍進(jìn)行響應(yīng)面分析,所得結(jié)果如圖4所示。
由圖4可知在實(shí)驗(yàn)取值范圍內(nèi)2圖都有最大值(響應(yīng)面的頂點(diǎn)或等高線的最高點(diǎn)),即兩因子間的相互作用存在有利于β-葡聚糖酶酶活的最優(yōu)組合。利用Minitab 16.0軟件預(yù)測功能對兩個因素的最佳值進(jìn)行尋優(yōu),到當(dāng)X2=12.5 g/L與X3=14.1 mL/L時,響應(yīng)值β-葡聚糖酶酶活有最大值,預(yù)測值為2 935 U/mL。
圖4 胰蛋白胨和甘油與β-葡聚糖酶酶活的響應(yīng)曲面及等值線Fig.4 The response surface plot and isolines for the effect of Tryptone and Glycerin on glucanase production
綜上研究結(jié)果可知,重組大腸桿菌發(fā)酵產(chǎn)β-葡聚糖酶的最適培養(yǎng)基成分為:Yeast extract 20 g/L,胰蛋白胨12.5 g/L,甘油14.1 mL/L,KH2PO42.17 g/L,K2HPO42.74 g/L。
驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,初始培養(yǎng)基經(jīng)過優(yōu)化后,β-葡聚糖酶酶活(2 978.2 U/mL)與初始培養(yǎng)基(1 671.9 U/mL)相比,提高了1.78倍,與2 935 U/mL的預(yù)測值較為接近,相對誤差為0.14%,同時證明了回歸方程的可靠性和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的有效性。
重組大腸桿菌產(chǎn)β-1,3-1,4-葡聚糖酶的最適培養(yǎng)基為TB培養(yǎng)基,與其它培養(yǎng)基相比,在TB培養(yǎng)基中生長狀況最好且酶活力最高。甘油為培養(yǎng)基的最佳碳源,其不僅為大腸桿菌的生長提供能量,而且能夠維持生長過程中細(xì)胞的形態(tài),故而以此為碳源時發(fā)酵液上清中β-1,3-1,4-葡聚糖酶活力最高。Yeast extract和胰蛋白胨為培養(yǎng)基的最適氮源,二者為大腸桿菌的生長提供豐富的氨基酸、核酸等氮源,而且酵母粉中含有維生素等微生物必不可少的生長因子,這與程至敬等[11]的研究結(jié)果相符。為了提高β-1,3-1,4-葡聚糖酶的產(chǎn)量,研究采用響應(yīng)面法優(yōu)化TB培養(yǎng)基組分。結(jié)果表明,胰蛋白胨和甘油為顯著影響β-1,3-1,4-葡聚糖酶產(chǎn)量的因素,通過最速上升實(shí)驗(yàn)及中心組合設(shè)計(jì),結(jié)合響應(yīng)面分析,最終得出TB培養(yǎng)基組分為:酵母粉20 g/L,胰蛋白胨12.5 g/L,甘油14.1 mL/L,KH2PO42.17 g/L,K2HPO42.74 g/L。使用優(yōu)化后培養(yǎng)基發(fā)酵,上清中β-1,3-1,4-葡聚糖酶活力較優(yōu)化前提高了1.78倍,說明響應(yīng)面優(yōu)化效果較為理想。本次研究通過對發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化,使得重組菌發(fā)酵產(chǎn)β-1,3-1,4-葡聚糖酶的產(chǎn)量有所上升,對日后重組酶特性的研究及其規(guī)?;a(chǎn)應(yīng)用等工作的展開具有積極的意義。
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