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1,5-戊二胺(尸胺)具有刺激性气味,是生物体内广泛存在的具有生理活性的含氮碱,可以作为第二信使调控植物衰老进程、促进花蕊发育,外源施用尸胺可改善坐果和促进果实发育,对增加果实产量和研究植物生长有重要利用价值。尸胺还是合成聚酰胺尼龙的好材料,而尼龙是一类重要的聚合物,可以广泛应用于汽车、体育用品和塑料电子等工业领域。尸胺主要由石油基原材料经二羧酸中间体生产制得。由于石油资源日益匮乏,采用可再生的农产品为原料通过生物技术制备尸胺可使这一状况得到有效缓解。赖氨酸脱羧酶(L-lysinedecarboxylase;EC4.1.1.18)是生物体内高度专一性酶,催化L-赖氨酸脱羧生成尸胺和CO2,目前已经在多种细菌中发现了相应的赖氨酸脱羧酶。
本文成功构建了DM203a,DM203b,DM203c,DM203d四株赖氨酸脱羧酶基因工程菌,经过实验筛选DM203b作为研究菌株,优化其发酵条件、诱导条件及适用诱导剂,全面分析酶学性质。同时也对谷氨酸脱羧酶基因工程菌DM201诱导条件及酶学性质进行了相关研究。
根据Genbank上已知的赖氨酸脱羧酶基因序列(cadA,ldcC)PCR扩增得到赖氨酸脱羧酶基因片段,将其分别插入质粒pET-32a和pGEX-KG,构建重组质粒pET-32a-cadA,pGEX-KG-cadA和pET-32a-ldcC,pGEX-KG-ldcC,钙转至大肠杆菌BL21(DE3)。经质粒双酶切及SDS-PAGE蛋白电泳检测均含有相应目的基因片段,且能表达目的蛋白。经湿菌体酶活验证表明其所表达的目的蛋白均有赖氨酸脱羧酶活性,通过菌种稳定性实验及酶活性判断DM203b性状优于其它三株菌。
通过优化工程菌DM203b的发酵条件得到以下结论:采用以玉米浆ρ(玉米浆)=30 g/L作为氮源的发酵培养基有利于赖氨酸脱羧酶活性的提高;IPTG最适诱导浓度和诱导时间:最适诱导浓度为c(IPTG)=0.4 mmol/L,最适诱导时间为4 h;IPTG替代物乳糖的最适诱导形式为以培养基组分直接参与发酵培养基配制灭菌,发酵时间为10 h,当P(乳糖)=10 g/L时诱导效果最好;工程菌DM203b对辅酶VB6的依赖性低于野生型菌株如Hafina alvei。
DM203b所表达的赖氨酸脱羧酶酶学性质如下:最适转化温度为37℃,转化体系最适条件为0.1 M磷酸缓冲液pH=5.8,在终浓度5 mmol/L条件下Mg2+和Ca2+对酶活有一定的促进作用,过度金属离子Cu2+、Zn2+和Fe2+对酶活抑制作用明显。反映在不通气条件下有利于LDC脱羧反应的进行;该酶温度耐受性不高,工程菌DM203b所表达的赖氨酸脱羧酶底物专一性较高,只能以相同碳链的赖氨酸类似物为底物:该酶光学拆分效果良好,可以高效反应掉消旋赖氨酸中的L-赖氨酸,得到尸胺和D-赖氨酸,有效实现消旋赖氨酸的手性拆分。
谷氨酸脱羧酶基因工程菌DM201最佳诱导条件为:诱导浓度c(IPTG)=0.4mmol/L,诱导时间4 h左右,诱导温度30℃。
谷氨酸脱羧酶基因工程菌DM201最适转化温度为45℃,pH=4.0,底物质量浓度在110 g/L左右;高浓度金属离子(0.5 mol/L)对GAD酶活的抑制作用均很强,碱金属离子(Mg2+和Ca2+)适当浓度(0.05 mol/L,0.005 mol/L)对GAD酶活有稳定作用,过渡金属离子(Cu2+,Zn2+)对GAD酶活抑制作用强烈,而低浓度Mn2+对GAD酶活基本无影响,0.2 mol/L的缓冲液浓度有利于谷氨酸脱羧反应的连续高效进行。