极地低温几丁质脱乙酰酶的挖掘及其性质研究

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几丁质(Chitin)是由β-N-乙酰-D-葡萄糖胺单体以β-1,4糖苷键连接成的直链多糖,直链多糖的N-乙酰度在50%以上仍为几丁质,将N-乙酰度降到50%以下可衍生为壳聚糖。几丁质脱乙酰酶(Chitin deacetylases,CDAs)是催化几丁质转化为壳聚糖的重要酶,通过催化β-N-乙酰-D-葡萄糖胺脱乙酰基即可实现几丁质转化为壳聚糖。新型低温高活性几丁质脱乙酰酶的筛选对解决工业应用中制备壳聚糖的高能耗和环境污染问题具有重要的科学意义和应用价值。本文以极地海洋环境微生物为研究对象,从南极长城站浅海表层沉积物中分离到一株具有几丁质降解活性的菌株,并通过该菌株的全基因组测序分析,获得几丁质脱乙酰酶基因,开展了该酶基因的合成、原核表达、表达条件优化、重组酶纯化及其主要酶学性质的分析。基因组分析同时表明该菌株属于假单胞菌,暂定名为Pseudomonas sp.GWSMS-1。基因组特性分析该菌株基因组大小约为4.61 Mb,GC所占比例较高约为59%;共含有4599个基因,其中具有明确功能注释的基因有3049个;基因组注释分析与碳水化合物代谢相关的基因有111个,其中糖基转移酶33个、糖类酯解酶24个、糖苷水解酶23个、碳水化合物结合结构域8个、多糖裂解酶2个。本文开展了几丁质脱乙酰酶的重组表达研究,表达条件优化为:诱导温度20 oC、接种量1.5%、诱导浓度(IPTG)0.1 mM、诱导时间16 h,获得该重组酶的比活力为150.50 U/mg,纯化倍数为27.12倍,酶活力回收率为53.27%。重组酶的酶学性质分析表明:该重组酶最适催化温度为15 oC,当催化温度在10 oC到20 oC范围时,催化活性仍超过80%,但催化温度大于等于50 oC时重组酶催化活性低于20%,显示了该重组酶典型的低温酶特性;该几丁质脱乙酰酶在35 oC温育1小时的酶活性大幅度丧失,超过45 oC时酶活性基本丧失。该重组酶最适催化pH为7.0,但pH 8.0时仍可保存98.46%的酶活,说明该重组酶在偏碱性条件下催化效率最高。K+、Na+、Zn2+、Mg2+、Ni2+和EDTA、DTT对该重组酶催化有促进作用;Li+、NH4+、Ca2+、Mn2+、Cu2+、Fe2+、Fe3+、Co2+和SDS、TritonX-100对该重组酶催化有不同程度的抑制作用。氯化钠浓度为0.1 M时该重组酶具有最高的催化活性,说明该重组酶的催化需要一定的盐浓度条件,但高于0.5 M时对重组酶的催化活性具有抑制作用;过高的盐浓度(1 M)时,即使在低温条件下(4 oC)保持1小时酶活性仍然降到50%以下,显示高盐环境对酶活性有较大的抑制作用。浓度20%及以上的乙腈和甲醇对酶活力有显著性抑制作用;30%及以上的乙醇和丙酮对酶活力有显著性抑制作用;50%及以上的DMSO对酶活力有显著性抑制作用,显示重组酶对DMSO、丙酮和乙醇的耐受性相对较高。本文从南极海洋适冷菌的基因组中获得明确功能注释的几丁质脱乙酰酶基因,通过基因合成和异源表达获得重组酶,酶学性质分析表明该重组酶为典型的低温酶,本研究可为极地微生物来源的低温几丁质脱乙酰酶的筛选分析及其应用基础研究奠定产酶菌株及其新型低温酶基因资源与技术基础。
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