聚己内酯解聚酶的分离纯化及其催化特性的研究

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聚己内酯(polycaprolactone,PCL)是由ε-己内酯开环聚合而成的合成型聚酯,因其自身的优良性能及可生物降解性,现已应用于多个领域。本实验室从活性污泥中筛得一株可降解PCL的菌株Pseudomonas mendocina DS1001,本论文在其产酶条件、PCL薄膜降解、PCL解聚酶的分离纯化、酶学性质、PCL解聚酶基因克隆及异源表达、蛋白结构与功能等方面进行了研究,对PCL的降解机制进行了探讨,并得到以下结论:(1)研究单因素发酵条件对菌株DS1001产PCL解聚酶的影响,结果显示发酵时间、培养基初始pH、温度、含碳量四个因素影响明显,并通过Box-Behnken组合设计方法设计了一个四因素三水平的响应面优化实验,得出菌株DS1001最佳产酶条件为:培养基初始pH9.0、发酵温度31.27℃、含碳量0.05%(w/v),摇床培养48h,PCL解聚酶活力较优化前提升40%。(2)粗酶液经DEAE离子交换层析纯化得到一个PCL解聚酶纯酶组分,相对分子质量约为28.4KDa,酶的最适反应温度与pH分别为60℃、9.5,在4-50℃、pH5-12范围内酶活力稳定; Ca2+、Mg2+可强烈促进PCL解聚酶活力,而酶活力会受到EDTA、PMSF的抑制;PCL解聚酶对甲醇等有机溶剂具有较强的耐受能力,但吐温-80与Triton X-100强烈抑制酶活力。PCL解聚酶对14C的底物催化效率最高,经质谱检测,PCL解聚酶对PCL的降解产物主要为羟基己酸二聚体,还有部分单体、三聚体及四聚体。PCL解聚酶无界面活性,可降解粗角质,且受角质诱导,推测PCL解聚酶在酶学分类上属于角质酶。(3)对PCL解聚酶基因进行了克隆,并在E.coli BL21宿主菌中成功诱导表达,经Ni柱亲和层析获得了重组蛋白,理论分子量约为29KDa,在N端含有一个由22个氨基酸组成的信号肽序列。通过序列比对并经基因定点突变验证,PCL解聚酶具有一个包含Ser148、Asp198、His228的催化三联体和一个Thr80、Gln149的氧离子空洞,其中任一氨基酸的突变均会造成PCL解聚酶活力的缺失,但并不会影响突变体的表达。(4)菌株DS1001在5天内可将非结晶的PCL薄膜完全降解,整个降解过程可分为“慢-快-慢”三阶段,且是由外到内逐层降解。对PCL降解机制进行了探讨,PCL解聚酶以外切酶作用模式,优先剪切链端的第二个酯键,PCL解聚酶与传统脂肪酶具有共同的催化机制,PCL在结构上与某些天然酶的底物类似,被其中一些底物特异性宽泛降解酶错误识别,从而发生降解。
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