嗜热普鲁兰酶基因的克隆表达及其酶学性质研究

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普鲁兰酶(EC.3.2.1.41)是一种重要的淀粉脱支酶,广泛应用于工业生产中,然而国内没有自主生产的普鲁兰酶,因此,开发有自主知识产权的普鲁兰酶成为当前的研究热点。本研究从数据库中筛选出两个能够编码普鲁兰酶的嗜热菌Thermotoga petrophila(DSM13995)和Thermosipho melanesiensis(DSM12029),以期获得酶学性质优良的普鲁兰酶。结果如下:(1)重组质粒的构建:分别从嗜热菌Thermotoga petrophila和Thermosipho melanesiensis中克隆出普鲁兰酶基因TP-pulA(登录号:WP004082389.1)和TM-pulA(登录号:WP012056687.1),并构建重组质粒TP-pulA-pET21a和TM-pulA-pET21a。(2)在大肠杆菌BL21(DE3)中表达的粗酶水解产物以及粗酶性质分析:重组质粒TP-pulA-pET21a和TM-pulA-pET21a转化大肠杆菌BL21(DE3),诱导表达后,TP-pulA和TM-pulA水解普鲁兰糖的产物为麦芽三糖,说明TP-pulA和TM-pulA是Ⅰ型普鲁兰酶;TP-pulA和TM-pulA的最适pH都是6.6,最适温度都是80℃;TP-pulA和TM-pulA在70℃下的半衰期分别为24.16 h和5.24 h。(3)TP-pulA和TM-pulA稀有密码子分析及宿主更换:由于TP-pulA和TM-pulA在大肠杆菌BL21(DE3)的表达量比较低,对TP-pulA和TM-pulA的稀有密码子进行分析,结果表明,序列中存在比较严重的稀有密码子,换用大肠杆菌Rosetta(DE3)做表达宿主后,TP-pulA和TM-pulA的表达量分别提高了9倍和7倍。(4)粗酶的纯化及纯酶性质分析:将重组质粒TP-pulA-pET21a和TM-pulA-pET21a在大肠杆菌Rosetta(DE3)中表达得到的粗酶纯化后进行酶学性质测定,结果表明:TP-pulA和TM-pulA的最适pH分别是6.4和5.8,最适温度分是85℃和80℃;TP-pulA和TM-pulA在70℃下的半衰期分别为26.28 h和4.75 h,说明TP-pulA和TM-pulA都具有较高的热稳定性;Na+、K+、Ca2+、Mg2+对TP-pulA的酶活有明显的促进作用,Mn2+、Co2+、AL3+、Fe3+、SDS及EDTA对TP-pulA和TM-pulA的酶活有不同程度的抑制作用。(5)酶促动力学参数的测定:TP-pulA的Km、Vmax、Kcat及Kcat/Km值分别为0.72 mg/mL、0.0049μmol·mL-1·s-1、154.63 s-1、214.76;TM-pulA的Km、Vmax、Kcat及Kcat/Km值分别为4.68mg/mL、0.0085μmol·mL-1·s-1、71.18 s-1、15.21。说明与TM-pulA相比,TP-pulA具有较高的底物亲和能力和催化效率。(6)综合分析TP-pulA和TM-pulA的最适温度、半衰期及酶促动力学参数,结果表明,与TM-pulA相比,TP-pulA的酶学性质更优越。
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