K.pneumoniae XJPD-Li甘油脱水酶与复活因子的克隆表达及其复活关系研究

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以自主筛选的产1,3-丙二醇菌株为基础,研究了甘油脱水酶的催化反应特性,通过克隆和表达甘油脱水酶与复活因子,定量研究了复活因子和其它因素与失活甘油脱水酶的复活关系。通过研究得剑以下结果: 从新疆特殊环境土壤中筛选到在厌氧条件下能够转化甘油生成1,3-丙二醇的菌株XJPDLi-2,经鉴定后命名为K. pneumoniae XJPD-Li(缩写 XJPD-Li)。摇瓶发酵实验确定其最佳发酵条件为:温度40℃,pH8.0,硫酸铵6.0g/L,底物甘油20g/L利葡萄糖2.5 g/L。5L发酵罐批式发酵表明该菌在8h内可消耗20g/L甘油,1,3-丙二醇浓度达12.2 g/L,甘油的摩尔转化率达理论值0.75。补料批式发酵发现48h可消耗66.4g/L甘油合成38.1g/L的1,3-丙二醇,转化率达0.70,表明XJPD-Li菌是具高转化率的1,3-丙二醇生产菌株。 以XJPD-Li菌甘油脱水酶为酶源研究了其酶促反应特性。结果表明该酶的表达合成与菌体生长呈现明显的耦合关系。催化反应的最适温度为40℃,且在40℃以下酶的稳定性较好。最适pH值为8.0,在6.0~8.0之间甘油脱水酶活性较高,稳定性也好。Na<+>、Mg<2+>、Mn<2+>和Fe<2+>对甘油脱水酶催化反应具有一定促进作用,而Ca<2+>、Co<2+>、Fe<3+>、Zn<2+>和Cu<2+>对其活性均有抑制作用。该酶分别以甘油和1,2-丙二醇为底物时最高反应浓度分别为0.15mol·L<-1>和0.3mol·L<-1>左右,动力学常数K<,m>分别为5.57mmol·L<-1>和8.16mmol·L<-1>。研究也表明该酶催化反应的活化能E<,a>为18.904kJ·mol<-1>。 利用PCR方法从XJPD-Li基因组DNA中分别克隆山甘油脱水酶基冈dhaBCE和甘油脱水酶复活因子基闪dhaFG片段。分别构建表达载体PET-28a(+)-dhaBCE利PET-28a(+)-dhaFG后转化E.coli BL21(DE3),在25℃、OD<,600>为0.6时用0.4mMIPTG诱导后均成功表达出具有生物活性的目标蛋白,诱导5小时后重组菌中甘油脱水酶活力达299U·mg<-1>,约为原始菌的300倍。重组菌中复活因子可使甘油和氧失活的脱水酶活力均恢复90%以上。 重组菌中甘油脱水酶在以甘油为底物催化反应时,3min酶活就损火约35%,1h后活性仅剩2.7%;通氧时其活性损失更快,3min损失48%,1h后仅剩1.5%。通过定量研究甘油失活脱水酶的复活效果确定其最佳的复活条件为:ATP 50mmol·L<-1>、Mg<2+>10mmol·L<-1>、辅酶B<,12>3 μmol·L<-1>、甘油脱水酶与复活因子的质量比4:1,在此条件下甘油和氧失活脱水酶的活力可分别恢复98.9%和97.3%。各因子对甘油脱水酶的复活贡献程度研究表明,脱水酶与复活因子质量比和ATP对脱水酶有效复活的贡献程度最大,但四种因子均是甘油脱水酶复活的必需因子。复活动力学研究表明在ATP、Mg2’和辅酶B12存在情况。卜,复活冈子均能快速复活甘油和氧火活的脱水酶,且反应前10min复活速率较大,甘油失活脱水酶更易复活,复活反应60min后丙醛的积累量是氧失活脱水酶复活后的1.5倍。 通过基因工程手段获得甘油脱水酶并进行催化失活与复活关系研究,将为构建新的甘油脱水酶体外催化与复活体系提供依据,也为 1,3-丙二醇的生物合成调控提供理论指导,对促进生物法合成1,3-丙二醇的工业化进程具有重要意义。
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