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纤维素是地球上最丰富的可再生性生物物质资源,微生物对它的降解、转化是自然界中碳素转化的主要环节。从嗜热菌中获得的纤维素降解酶具有较高的热稳定性和催化效率,能够在高温下分解纤维素、发酵糖类等,可为工业和生物工程提供许多利益;还可以是优质酶的来源和构建工程菌的基因源。
本实验室从云南腾冲热海温泉采集的样品中,分离出一株能够降解结晶纤维素(Avicel)的嗜热菌。本论文的主要研究内容是确立该菌的分类地位、研究其产结晶纤维素酶(Avicelase)的条件、并纯化该酶和进行酶学性质分析,以期为新酶基因的克隆奠定基础。
1.从形态学特征、生理生化特征和16S rDNA序列同源性分析三个方面对菌株进行了鉴定,结果发现TC-1菌株生长的最适温度为60℃、最适pH为7.0,能发酵利用Avicel、羧甲基纤维素(CMC)、木聚糖(Xylan)和葡萄糖(G1ucose),在分类地位上属于亚栖热菌属Meiothermus。亚栖热菌能够在40~70℃的温度范围内生存,很多菌株已经从中性或碱性pH的陆地温泉和高温发酵罐中分离出来,国内外还未见关于其产纤维素降解酶的研究。
2.产酶条件研究证明TC-1菌株具有降解Avicel的能力,能够在60℃条件下利用Avicel作为唯一碳源和能源,CMC、:Xylan和GIucose都能不同程度地诱导其产生结晶纤维素酶,其中结晶纤维素诱导的酶比活力最高。产酶条件优化后,Avicelase的比活可以达到O.17 U/mg。酶定位实验确立了TC-1菌株产生的Avicelase属于胞外酶。
3.“两步培养法”进行发酵在一定程度上提高了TC-1菌株胞外Avicelase的酶量。发酵液经DEAE Fast Flow阴离子交换柱和HW-55F-Toyopearl分子筛层析后,得到9.15倍的最终提纯倍数和28.4%的收率。通过活性胶电泳和活性染色的鉴定,该酶分子量可以在99.7、124和142kDa之间变动:结合SDS-PAGE电泳结果,表明该酶可能是多亚基大分子。酶亚基数目和大小的确定还需要设计新的实验验证。
4.酶学性质分析表明TC-1菌株的Avicelase最适反应温度为70℃,最适pH为6.O,在50~70℃和pH5.5~6.5之间酶活力有较高的稳定性,因此在其生长条件下所产Avicelase的酶活性和稳定性较好,具有作为工业发酵工程菌的可行性和开发高温酶的价值。TC-1菌株的胞外酶还具有降解其他木质类物质的酶活性,CMCase、Xylanase和Avicelase比活分别是O.803 U/mg、O.241 U/mg、0.110 U/mg,相对低的Avicelase活性可以通过菌种改造和发酵条件的进一步改善得到提高。