海洋弧菌(Vibrio sp. LA-05)金属蛋白酶的纯化、性质表征与应用研究

来源 :中国石油大学(华东) | 被引量 : 0次 | 上传用户:jaredchen123
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蛋白酶在多个工业领域中发挥着重要作用,但它们在一些相对极端条件下的低活性和不稳定性,严重阻碍了蛋白酶的进一步商业化开发和工业化应用,寻找理化性质优异的蛋白酶是解决这一问题的有效方法。海洋中蕴藏着丰富的微生物资源,其相对独特的生态环境(高盐、高压、低温、寡营养等)赋予了海洋微生物特殊的代谢机制,这极大地增加了从中发现新型蛋白酶的可能性。本论文以实验室前期从胶州湾海洋沉积物(中国黄海,36°09’N,120°32’E)中筛选出的一株能够分泌大量胞外蛋白酶的海洋细菌为研究对象,利用不同分离技术对其胞外蛋白酶进行分离纯化后,系统研究了该蛋白酶的理化性质、编码基因、氨基酸序列、保守催化活性位点以及空间三维结构。在此基础上,初步探索了其在洗衣液配方和生丝脱胶中的应用潜力。通过菌体形态、生理生化特性、16S rDNA序列和系统发育树分析确定该海洋细菌为弧菌属,并将其命名为Vibrio sp.LA-05,该菌株在20℃下生长良好且生产蛋白酶能力强。依次使用超滤浓缩、凝胶过滤色谱和离子交换色谱从发酵上清液中成功分离纯化出一种蛋白酶(命名为VMP),对其进行性质表征发现,该酶精确分子量为34956.146 Da,等电点为4.3,最适反应温度和p H值分别为45℃和p H 8.0,在40℃以下和p H 6.0-10.0范围内稳定性良好,其二级结构由77.6%α螺旋,2.9%β折叠和19.5%无规则卷曲组成,Tm值为44.9±0.1℃。该酶结构中存在二硫键,并且它属于金属蛋白酶。该酶对多种金属离子表现出耐受性,但10 mmol/L Cu2+和Hg2+能完全抑制其活性。此外,该蛋白酶具有一定的耐盐性,在10-40%Na Cl溶液中孵育24 h后,其剩余活性均高于55%。最重要的是,它在多种商业洗涤剂中表现出非常好的活性和稳定性,与立白、蓝月亮、威露士、奥妙和悠选五种洗衣液共同孵育240 h后,其剩余活性均大于55%。该酶对酪蛋白、偶氮酪蛋白和偶氮白蛋白的水解活性最高,其对酪蛋白的水解反应表现出经典的酶促反应动力学特征,Vmax为58.82 mmol/min,Km为7.71 mg/m L。利用二级质谱和PCR技术成功获得了编码VMP的基因,根据测得的蛋白酶分子量、等电点、N端氨基酸序列以及预测的保守结构域,借助生物信息学工具成功推导出VMP的氨基酸序列,并对其进行了同源建模。结果表明,该酶的编码基因为1824 bp,包含一个开放阅读框(ORF),起始密码子为ATG,终止密码子为TGA,编码一个由607个氨基酸组成的前酶原,预测其分子量为65907 Da,前25个氨基酸(M1-A25)为信号肽,之后170个氨基酸(A26-H195)为前导肽。金属蛋白酶VMP由321个氨基酸残基(A196-P516)组成,锌离子为它的金属辅因子,且与酶蛋白1:1结合。VMP的空间三维结构N端富含β折叠,C端富含α螺旋,主要以α螺旋形式存在,锌离子、固定锌离子的三个配体(H147、H151和E171)以及其他八个保守氨基酸残基(N119、A120、V144、E148、Y162、L204、R205和H230)构成了该酶的催化活性中心。以商业化蛋白酶subtilisin A为对照,通过洗涤模拟实验研究了将金属蛋白酶VMP(粗蛋白酶样品)作为生物添加剂应用于洗衣液配方的可行性,并利用二级质谱鉴定了被VMP特异性水解的羊血蛋白。在15、25、35和45℃下150 r/min洗涤处理30 min,添加VMP的立白、蓝月亮和威露士三种洗衣液均能成功去除棉布上的血渍,并且没有对棉布的反射率(亮度)、质地、元素组成和拉伸性能产生影响。在洗衣液存在条件下,VMP对羊血中蛋白质的水解活性没有受到明显影响,它可特异性地水解羊血红细胞中的6种蛋白质和羊血血浆中的4种蛋白质。以传统Na2CO3脱胶法为对照,初步探索了将金属蛋白酶VMP(粗蛋白酶样品)应用于生丝脱胶的潜力,并评估了回收丝胶蛋白水解产物(SPP,Sericin Proteolysis Product)的体外抗氧化活性。在15、25、35和45℃下,使用粗蛋白酶对生丝脱胶处理12 h后,脱胶率均高于23%,丝胶蛋白几乎被完全去除,蚕丝纤维表面变得非常光滑并且没有损伤。此外,蛋白酶法获得脱胶蚕丝的热力学性能和拉伸性能均明显优于Na2CO3法。VMP只特异性地水解外层丝胶蛋白,对内层丝素蛋白的多肽链没有产生明显影响,而Na2CO3法却严重破坏了其多肽链。丝胶蛋白在脱胶过程中被蛋白酶水解成了小分子多肽,其水解产物具有较好的体外ABTS+自由基清除活性和铁离子还原能力。
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