Humicola insolens角质酶-OMP25的重组表达、分子改造及应用研究

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胶黏物是废纸回收再利用过程中产生的污染物,易滞留于纸张及设备表面,影响产品质量,造成设备损伤,严重影响废纸回收效率,胶黏物已成为提高废纸利用率亟待解决的问题。胶黏物的控制方法包括物理法、化学法和生物法。由于生物控制法具有环境友好、高效专一等特点,可有效降解胶黏物的主要成分如聚醋酸乙烯酯(PVAc)、聚丙烯酸乙酯(PEA)等,目前备受关注。角质酶是一种具有聚酯降解能力的多功能酶,锚定肽是一种能与特定底物锚定的多肽,前期研究表明,两者融合显著提高了角质酶对胶黏物的降解效果。本文选取特异腐质霉(Humicola insolens)角质酶(Hi C)与锚定肽OMP25的融合蛋白(Hi C-OMP25)进行研究。首先,通过探究Hi C-OMP25在不同大肠杆菌(Escherichia coli)中的表达情况、底物降解情况、稳定性及Hi C-OMP25的表达对宿主菌细胞膜通透性与细胞表面疏水性,揭示不同宿主菌表达Hi C-OMP25时的差异。其次,尝试通过更换核糖体结合位点(RBS)、连接肽(linker)及伴侣蛋白(chaperone)共表达等策略进一步提高融合蛋白的表达量,之后高效制备Hi C-OMP25,同时通过添加剂优化提高发酵液储存稳定性。最后,通过锚定肽的分子改造进一步提高融合蛋白对胶黏物的降解效果。主要研究结果如下:(1)考察并揭示不同宿主菌表达Hi C-OMP25时的差异性。本研究分别在E.coli BL21(DE3)、E.coli C43(DE3)菌株中重组表达Hi C-OMP25,在发酵上清中均检测出对硝基苯丁酸酯(p NPB)的水解活性,酶活分别为207.9 U·m L-1及43.1 U·m L-1;但E.coli BL21(DE3)表达的Hi C-OMP25对PEA的降解效果及50℃下的稳定性均弱于E.coli C43(DE3)表达的Hi C-OMP25。同时,表达Hi C-OMP25的E.coli BL21(DE3)菌株细胞膜通透性以及细胞表面疏水性与表达Hi C的E.coli BL21(DE3)菌株相比显著增强。推测Hi C-OMP25能在E.coli C43(DE3)中正确折叠,而在E.coli BL21(DE3)中表达时未能完全正确折叠,从而导致对PEA的降解效果及50℃稳定性差异。(2)探究不同RBS、linker及伴侣蛋白对Hi C-OMP25在E.coli C43(DE3)中表达的影响,并高效制备Hi C-OMP25,随后进行Hi C-OMP25储藏稳定性添加剂的优化。实验结果表明:替换RBS及linker前的重组菌株Hi C-OMP25拥有更高的表达量;将Hi C-OMP25与巯基氧化酶(Erv1p)及二硫键异构酶(Dsb C)在E.coli C43(DE3)中共表达,重组菌株摇瓶胞外酶活为135.3 U·m L-1,与原始菌株相比提高了2.1倍。对E.coli C43(DE3)/p ET-20b(+)-hic-omp25/p CDFDuet-1-erv1p-dsbc重组菌株进行3-L发酵罐高密度发酵,最高角质酶酶活为855.6 U·m L-1。实验证明,在添加20%甘油+3‰山梨酸钾+3‰苯甲酸钠+10%PEG600的基础上,再添加10%山梨糖醇可将Hi C-OMP25酶液在50℃放置336 h后的相对残余酶活从52%提高至84%。(3)分子改造锚定肽提高融合蛋白对胶黏物的降解效果。通过对锚定肽的分子改造获得了对PEA的降解效率较Hi C-OMP25有所提升的两个突变体(M3和M6),PEA降解后的相对浊度从野生型的22%分别降至13%、17%。基于M3和M6对PEA降解效果的提升,构建了叠加突变体M7。M3、M6以及M7三个突变体的最适反应条件及稳定性均与Hi C-OMP25相似,最适p H为8.5,最适温度为80℃,30℃和50℃半衰期分别为192 h和168 h。M3、M6及M7均提高了对聚醋酸乙烯酯(PVAc)的降解效率,PVAc降解后的相对浊度从野生型的25%分别提升至35%、41%、29%。根据M3、M6及M7对实际工厂胶黏物的降解情况发现,M6与Hi C-OMP25相比,降解效率无显著变化;M3、M7与Hi C-OMP25相比,胶黏物浊度变化值分别提升了1.06、0.97倍。结果表明,突变体M3有助于提高Hi C对胶黏物的降解效果,为后续的工业应用提供了理论指导和技术支撑。
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