双孢蘑菇非特异性过氧合酶AbvbUPO的异源表达及其催化氧化反应研究初探

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非特异性过氧合酶(Unspecific Peroxygenases,UPO)是一类来源于真菌的氧化酶,属于血红素氧化酶家族,主要存在于双核菌亚界(Dikarya)和高等真菌界的子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota)中。UPO可催化非活化C-H键的羟基化、C=C键的环氧化和硫醚类物质磺化等不同类型的反应,且产物具有区域选择性和立体选择性,被认为是有机化合物氧化功能化的新一代生物催化剂。真菌孢子难于实现高密度发酵,从而导致大量获得野生UPO的提取复杂、能耗大等问题,严重限制了UPO在生物技术应用的可能,寻找适合的异源表达宿主对其进行异源高效表达是解决上述问题的关键。本研究将来源于双孢蘑菇Agaricus bisporus var.bisporus(Abvb)的非特异性过氧合酶Abvb UPO在不同微生物宿主中进行异源重组表达研究,并探究其过氧化氢耐受性,为UPO的异源表达和催化应用提供研究基础。具体研究内容和主要结果如下:(1)双孢蘑菇非特异性过氧合酶的生物信息学分析。利用Ex PASy、Swiss网站和Py MOL软件预测非特异性过氧合酶Abvb UPO(Genbank ID:XP_006457061.1)的结构和性质。结果表明,Abvb UPO理论分子量为35.56 k Da,预测等电点为6.27,预测稳定系数为21.81,预测在毕赤酵母、大肠杆菌、哺乳动物细胞中表达的Abvb UPO半衰期分别为20.00 h,10.00 h和1.90 h。同源建模分析结果表明,Abvb UPO含有11个α螺旋、5个β折叠和一对二硫键(Cys277-Cys318),结构中的Mg2+以八面体构型配合物的形式与两分子的水、Glu122、Gly123、Ser126的氧原子和一分子血红素中的丙酸配位。(2)双孢蘑菇非特异性过氧合酶的异源表达及其过氧化氢耐受性研究。采用全基因合成技术获得了Abvb UPO的基因序列,并构建p ET22b-MBP-Abvb UPO、p MA5-Abvb UPO、p BC-Abvb UPO和p PIC9K-Abvb UPO等系列重组表达质粒,重组质粒分别转化到了大肠杆菌表达菌株Origami B(DE3)、枯草芽孢杆菌表达菌株1A751、黑曲霉G1和毕赤酵母GS115中并开展异源表达研究。结果表明:Abvb UPO在毕赤酵母GS115异源表达系统中实现了活性表达,分子量大小约为35 k Da;在诱导温度25℃、p H 6.0条件下,5 L发酵罐单位发酵活力为45399.28±153.67 U/L。将Abvb UPO与不同浓度的过氧化氢进行孵育5 min之后测定Abvb UPO的残余酶活,结果表明:Abvb UPO的过氧化氢耐受性较弱,30℃下Abvb UPO与2 m M H2O2孵育5 min后酶活力为初始活性的95.52±2.00%,与5 m M H2O2孵育5 min后,酶活力仅为初始活性的54.98±5.74%。但在大肠杆菌表达系统和枯草芽孢杆菌表达系统中,重组的UPO均以无活性的形式出现,在黑曲霉表达系统中无表达。(3)双孢蘑菇非特异性过氧合酶的催化氧化反应研究初探。针对直接添加过量过氧化氢造成Abvb UPO酶活性降低的问题,本研究构建了胆碱氧化酶-Abvb UPO的酶级联催化反应体系,通过胆碱氧化酶在线产生过氧化氢,降低催化过程中过量过氧化氢导致的酶失活,考察了反应温度和p H的影响。并以乙基苯、环己烷、苯乙烯、环己烯、甲基苯基硫醚和苯基乙烯基硫醚作为催化底物进行酶级联催化反应,采用GC-MS法监测催化反应过程中产物β-苯乙醇、环己醇、氧化苯乙烯、环氧环己烷、甲基苯亚砜和苯基乙烯基亚砜的生成规律,考察Abvb UPO的对映异构体选择性和底物偏好性。实验结果表明,该级联反应体系的最适反应条件为:p H 8.0,反应温度30℃;在上述条件下,Abvb UPO对环己烯环氧化反应的活性最高,获得产物环氧环己烷的浓度为2.91m M。此外,Abvb UPO催化氧化反应产物中,除了氧化苯乙烯外,其余氧化产物均为R型异构体,表明Abvb UPO具有R型异构体偏好性。
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