免费文献传递   相关文献

Expression and characterization of a novelmarine β-galactosidase in Pichia pastoris

新型海洋源β-半乳糖苷酶在毕赤酵母中的表达与酶学性质



全 文 :第 14卷第 4期
2016年 7月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 14 No􀆰 4
Jul. 2016
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2016􀆰 04􀆰 007
收稿日期:2016-04-28
基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)(2014AA093513)
作者简介:阎金勇(1979—),男,湖北黄冈人,副教授,研究方向:微生物学与酶工程;∗为同等贡献,共同第一作者;缪明永(联系人),教授,
E⁃mail:miaomy@ 163.com
新型海洋源 β 半乳糖苷酶在毕赤酵母
中的表达与酶学性质
阎金勇1∗,董敬霞2∗,査根晗1,高  云2,刘小宇2,缪明永2
(1􀆰 华中科技大学 生命科学与技术学院 分子生物物理教育部重点实验室,湖北 武汉 430074;
2􀆰 第二军医大学 生物化学与分子生物学教研室,上海 200433)
摘  要:从海洋环境 β 半乳糖苷酶基因出发,采用毕赤酵母表达体系,构建产 β 半乳糖苷酶的基因工程菌,并对
重组酶酶学性质进行表征。 结果发现:海洋源 β 半乳糖苷酶具有优良的乳制品用酶特性,该重组酶的最适 pH 为
7􀆰 0~8􀆰 0,最适温度为 45 ℃,在 50 ℃以下孵育 1 h可保持 55%以上的活力,能耐受 Fe2+、Na2+、K2+、Ca2+等多种金属
离子。 宽广的 pH、温度、金属离子稳定性,以及低温活性赋予该酶良好的乳制品用酶特性。
关键词:半乳糖苷酶;毕赤酵母;重组
中图分类号:Q851        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2016)04-0033-04
Expression and characterization of a novelmarine β⁃galactosidase
in Pichia pastoris
YAN Jinyong1∗,DONG Jingxia2∗,ZHA Genhan1,GAO Yun2,LIU Xiaoyu2,MIAO Mingyong2
(1􀆰 Key Lab of Molecular Biophysics of Ministry of Education,College of Life Science and Technology,
Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2􀆰 Department of Biochemistry and
Molecular Biology,Second Military Medical University,Shanghai 200433,China)
Abstract:Using Pichia pastoris expression system, we constructed a recombinant P. pastoris strain
producing marine β⁃galactosidase that was subsequently characterized. The recombinant enzyme had
optimum pH between 7􀆰 0 and 8􀆰 0. Its optimum temperature was 45 ℃, and over 50% relative activity
below 50 ℃ .It was stabile in the presence of Fe2+,Na2+,K2+ and Ca2+ . Broad stable pH and temperature
range and tolerance to metal ions make this recombinant enzyme suitable in various applications.
Keywords:galactosidase; Pichia pastoris yeast; recombinant
    β 半乳糖苷酶( β galactosidase)是一类将半
乳糖苷类寡聚糖底物水解为半乳糖和糖苷的酶,存
在于多种动植物及微生物中,广泛应用于饲料和乳
制品添加剂领域[1]。 在缺乏 β 半乳糖苷酶或 β 半
乳糖苷酶活力不足的动物或人体内,乳糖不能被有
效分解利用,从而被肠道微生物发酵产生有机酸和
CO2等气体,造成肠道蠕动加强、腹疼、腹胀、腹泻等
乳糖不耐受症状[1-3]。 β 半乳糖苷酶作为乳制品添
加剂是公认解决乳糖不耐受症的有效途径,而大多
数 β 半乳糖苷酶难以同时满足乳制品用酶的特
性[4-5],即能耐受乳制品环境与条件(如能耐受多种
金属离子,具有低温活性,具有宽广的 pH 和温度稳
定性等) [6]。 因此,开发具有乳制品用酶的特性对
提高乳制品的品质意义重大。
野生菌产 β 半乳糖苷酶一般产量低,且常存在
杂质残留等安全问题,不宜用于乳制品体系。 通过
基因工程技术将野生菌 β 半乳糖苷酶基因导入更
安全、更易于遗传操作和扩大生产的异源宿主[7-9],
如毕赤酵母(Pichia pastoris)中,是提高目标蛋白表
达量的有效途径之一。
第二军医大学缪明永课题组从中国东海海泥
中筛选获到了 1 株产 β 半乳糖苷酶的盐单胞菌
S62(Halomonas sp􀆰 S62),并克隆出 β 半乳糖苷酶
基因 βgal(GenBank 登录号 JQ337961) [10]。 该基因
与已经报道的 β 半乳糖苷酶基因的相似性较低,与
来源于 Pyrococcus woesei的 β 半乳糖苷酶有 29􀆰 9%
的同源性[9]。
本研究采用毕赤酵母分泌表达体系,构建产该
β 半乳糖苷酶的基因工程菌,并对重组酶酶学性质
进行表征,以期为下游生产应用奠定基础。
1  材料与方法
1􀆰 1  菌株与基因
盐单胞菌 S62(Halomonas sp􀆰 S62)的 β 半乳糖
苷酶基因保存于缪明永实验室。 保证氨基酸序列不
变,基于毕赤酵母密码子偏好性,由上海桑尼生物科
技有限公司对 βgal 进行密码子优化并全基因合成。
E􀆰 coli DH5α和质粒 pPICZαA用于质粒构建与扩增,
P􀆰 pastoris X33用于 βgal 的异源表达,所用质粒与菌
株均保存于华中科技大学阎金勇所在的实验室。
1􀆰 2  培养基
E􀆰 coli DH5α 培养用液体 LB 培养或含有 100
μg / mL 博莱霉素的固体 LB 琼脂平板培养基,
P􀆰 pastoris 培养用 YPD、BMGY 与 BMMY 培养基。
各培养基组成详见毕赤酵母表达手册[11]。
1􀆰 3  重组质粒的构建与制备
将密码子优化后合成的 β 半乳糖苷酶基因
(βgal),克隆至 pPICZαA载体的 EcoR I / Not I位点,
构建重组质粒 pPICZαA βgal。 将重组质粒转化
E􀆰 coli DH5α 感受态细胞,用含有 100 μg / mL 博莱
霉素的固体 LB平板获得阳性转化子。 阳性转化子
经测序验证序列及连接位点的正确性。 将验证正
确的重组大肠杆菌接种于 5 mL 的 LB 液体培养基
中,37 ℃过夜培养,收集菌体。 按照 Omega 公司质
粒小量提取及胶回收与纯化试剂盒说明书操作,提
取质粒,并用 BstX I酶切制备线性化质粒。
1􀆰 4  重组质粒转化毕赤酵母
毕赤酵母感受态细胞的制备详见毕赤酵母表
达手册。 将制备好的 P􀆰 pastoris X33 感受态细胞与
10 μg的线性化重组质粒 pPICZαA βgal 混合,转
移到预冷的 0􀆰 2 cm 电转化杯中,冰上放置 5 min。
将电转杯从冰上取出快速擦干并置于预热的电转
仪上电击,然后立刻加入 1 mL 1 mol / L 的山梨醇,
吸出后于 30 ℃水浴中静置 1~2 h。 电击参数:电压
1􀆰 5 kV,电容 25 μF,电阻 200 Ω。 取 80~100 μL涂
布于含有 1 000 μg / mL博莱霉素的 YPD平板,30 ℃
静置培养 2~4 d,挑取阳性转化子。
1􀆰 5  摇瓶发酵
将阳性转化子接种于装有 50 mL BMGY培养基
的 500 mL 摇瓶中,摇床转速为 250 r / min,在 28 ℃
条件下培养 20 h,无菌离心收集菌体,转入 30 ~ 100
mL BMMY诱导培养基中,在 28 ℃、200 ~ 300 r / min
条件下诱导培养 24~120 h,每隔 24 h向摇瓶中补加
1􀆰 0%~2􀆰 0% (体积分数) 的甲醇,取样检测发酵液
的细胞密度(用 OD600表示)以及上清液的酶活力。
1􀆰 6  β 半乳糖苷酶酶活力的测定
用邻硝基苯 β 吡喃半乳糖苷(ONPG)测定β
半乳糖苷酶活力。 取 400 μL 发酵上清液,加入 600
μL终浓度为 10 mmol / L 的 ONPG(0􀆰 1 mol / L,pH
7􀆰 2的 Na2HPO4 NaH2PO4或者 K2HPO4 KH2PO4缓
冲液配制),分别在 5 ℃(低温活性)和 45 ℃下孵浴
15 min,加入 1 mL 1 mol / L 的 Na2CO3终止反应,用
酶标仪在 410 nm处测定吸光度以确定酶活性,同时
以 0􀆰 1 mol / L 的 pH 7􀆰 2 Na2 HPO4 NaH2PO4或者
K2HPO4 KH2 PO4缓冲液代替上清液作为空白对
照。 每分钟催化 ONPG 底物生成 1 μmol 硝基苯酚
所需要的酶量定义为一个酶活力单位。
1􀆰 7  温度对酶活力的影响
在 pH 7􀆰 0,0􀆰 05 mol / L 的 Tris⁃HCl 中,在不同
温度下测定上述 β 半乳糖苷酶活力,以相对活力表
示(最高酶活设定 100%)。 在 pH 7􀆰 0,0􀆰 05 mol / L
的 Tris HCl中,在不同温度下保温 1 h,测定残余酶
活力,处理前的酶活力设为 100%,以残余活力表示
温度稳定性。
1􀆰 8  pH对酶活力的影响
在 0􀆰 05 mol / L不同 pH的缓冲液中,45 ℃下测定
酶活力,酶活最高者设为 100%。 在 0􀆰 05 mol / L 不同
pH的缓冲液中,室温处理 1 h,测定残余酶活力,处理
43 生  物  加  工  过  程    第 14卷 
前的酶活力设为 100%,以残余活力表示 pH稳定性。
1􀆰 9  金属离子等对酶活力的影响
在 pH 7􀆰 0,0􀆰 05 mol / L 的缓冲液中,分别加入
不同的金属离子,使其终浓度为 1 mmol / L,加入酶
液孵育 1 h,45 ℃下测定酶活力。 未加离子的酶活
力设为 100%。
2  结果与讨论
2􀆰 1  β 半乳糖苷酶在毕赤酵母中的表达
挑取 YPD 平板(含有 1000 μg / mL 博莱霉素)
上最早出现的较大克隆子作为出发菌株。 分别研
究 BMMY培养基的装液量、摇床转速、甲醇添加量
与发酵时间对产酶的影响,如表 1所示。
表 1  摇瓶发酵因素对酶活力的影响
Table 1  The effect of fermentation factors on
enzyme activity at flask
因素 水平 酶活力 / (U·mL-1)
装液量 / mL
30 81±2
50 101±3
100 82±1
转速 / ( r·min-1)
200 101±4
250 110±2
300 107±1
φ(甲醇) / %
1􀆰 0 110±3
1􀆰 5 124±2
2􀆰 0 103±1
由表 1可知:在 500 mL摇瓶中装载 50 mL BMMY
培养基,摇床转速 250 r / min时,有利于产酶。 重组毕
赤酵母对氧气需求量大,较小体积的培养基盛装量与
较大的摇床转速均有利于促进摇瓶发酵过程中的溶
氧。 但过少的培养基(30 mL BMMY)随着发酵过程
水分的蒸发,培养液变得黏稠,反而降低溶氧。 摇床
转速高于 250 r / min时,并不能明显提高产酶,且过高
的转速易损耗能量与仪器。 所以选择 50 mL BMMY
培养基,250 r / min 摇床转速进行后续试验。 甲醇不
仅作为重组毕赤酵母的唯一碳源,也作为酶诱导表达
的诱导物。 本研究发现每隔 24 h添加 1􀆰 5%(体积分
数)的甲醇量最有利于产酶。 在单因子最优化组合条
件下,即 50 mL BMMY装液量,摇床转速 250 r / min,
每隔 24 h 添加 1􀆰 5%的甲醇诱导表达,结果见图 1。
由图 1 可知:诱导 72 h 后,重组菌能获得最高产酶
124 U / mL,在 72 h后酶活力缓慢下降,可能是发酵后
期毕赤酵母分泌的蛋白酶降解目标蛋白所致,且产酶
的趋势与细胞密度变化趋势一致。
图 1  重组毕赤酵母产酶与细胞密度随时间的变化
Fig􀆰 1  Time course of enzyme and cell density produced
by recombinant Pichia pastoris yeast
大多数 β 半乳糖苷酶采用大肠杆菌系统表达,
需要经过破碎细胞,分离纯化等繁琐步骤[3,9];而本研
究采用含有 α 信号肽的毕赤酵母 pPICZαA 表达载
体,可直接将酶分泌到胞外培养基中,分泌的杂蛋白
较少,且表达量也高于已报道的水平,优势明显。
2􀆰 2  重组 β 半乳糖苷酶酶学性质表征
2􀆰 2􀆰 1  温度对重组 β 半乳糖苷酶酶学的影响结果
考察温度对重组 β 半乳糖苷酶酶学的影响,结
果见图 2。 由图 2 可知:最适温度为 45 ℃,该酶具
有优良的温度稳定性;在 50 ℃以下孵育 1 h 可保持
55%以上的活性(图 2)。 在 50 ℃下时,稳定性在一
定程度上保证酶制剂成型过程中的活力。 值得强
调的是,该酶具有优良的低温活性,在 4 ~ 8 ℃时仍
然能测出 50%以上活性,表明该酶在乳制品低温储
藏时,仍具有水解活力。 该酶的低温活性明显优于
来源于 Planococcus,Pseudoalteromonas sp􀆰 22b 的 β
半乳糖苷酶[3,12]。
图 2  温度对重组 β 半乳糖苷酶活力的影响
Fig􀆰 2  Effects of temperature on recombinant
β⁃galactosidase activity
2􀆰 2􀆰 2  pH对重组 β 半乳糖苷酶酶学的影响结果
考察 pH对重组 β 半乳糖苷酶酶学的影响,结
果见图 3。 由图 3可知:以 ONPG为底物时,重组β
53  第 4期 阎金勇等:新型海洋源 β 半乳糖苷酶在毕赤酵母中的表达与酶学性质
半乳糖苷酶的最适 pH为 7􀆰 0 ~ 8􀆰 0,具有宽广的 pH
稳定性,在 pH 5~10条件下孵育 1 h,重组酶还可保
持 80%以上的活性,在 pH 4或 11时,酶稳定性急剧
降低。 过高或过低的 pH 环境,可能会破坏酶分子
的表面的电荷状态,进而影响酶分子的活性构象。
因此酶只有在一定范围 pH环境下,才能发挥活性。
图 3  pH对重组 β 半乳糖苷酶活力的影响
Fig􀆰 3  Effects of pH on recombinant
β⁃galactosidase activity
2􀆰 2􀆰 3  金属离子对重组 β 半乳糖苷酶酶学的影响
结果
考察金属离子对重组 β 半乳糖苷酶酶学的影
响,结果见图 4。 由图 4 可知:Fe2+显著促进该酶活
性(210%),Cu2+则显著抑制该酶活性(52%),该重
组酶在 Na2+、K2+、Ca2+存在的条件下,表现出 97% ~
116%的活力,该酶耐受多种金属离子的能力优于一
些已报道的 β 半乳糖苷酶[3,12]。 较宽广的金属离
子耐受性赋予该酶在乳制品加工中的普适性,尤其
是加铁加钙乳制品。
图 4  金属离子对重组 β 半乳糖苷酶活力的影响
Fig􀆰 4  Effect ofmetal ion on recombinant
β⁃galactosidase activity
3  结论
基于毕赤酵母表达体系,对海洋源 Halomonas
sp􀆰 S62中的 β 半乳糖苷酶基因进行胞外表达,获得重
组 β 半乳糖苷酶。 酶学性质研究表明重组 β 半乳糖
苷酶的最适 pH为 7􀆰 0~8􀆰 0,在 pH 5~10孵育 1 h还可
保持 80%以上的活性;最适温度为 45 ℃,在 50 ℃以下
孵育 1 h可保持 55%以上的活力;在 4~8 ℃条件下仍
然保持 50%以上的活性;能耐受 Fe2+、Na2+、K2+、Ca2+等
多种金属离子。 宽广的 pH、温度、金属离子稳定性,以
及低温活性赋予该酶良好的乳制品用酶特性。
参考文献:
[ 1 ]   王璇琳,章扬培.重组 α / β 半糖苷酶在豆、乳制品中的应用
[J] .国外医学卫生学分册,2005,32(6):342⁃345.
[ 2 ]   邢肖肖,齐崴,王梦凡,等.β 半乳糖苷酶酶学性质及其在低聚
半乳糖合成中的应用[J].生物加工过程,2015,13(2):30⁃34.
[ 3 ]   CIES' LIN' SKI H, KUR J, BIALKOWSKA A, et al. Cloning,
expression, and purification of a recombinant cold⁃adapted β⁃
galactosidase from Antarctic bacterium Pseudoalteromonas sp. 22b
[J] .Protein Expr Purif,2005,39:27⁃34.
[ 4 ]   JEONG J K,KWON O,LEE Y M, et al. Characterization of the
Streptococcus pneumoniae BgaC protein as a novel surface β⁃
galactosidase with specific hydrolysis activity for the Galb1⁃3GlcNAc
moiety of oligosaccharides[J].J Bacteriol,2009,191:3011⁃3023.
[ 5 ]   FUJIMOTO H, MIYASATO M, ITO Y, et al. Purification and
properties of recombinant β⁃galactosidase from Bacillus circulans
[J] .Glycoconj J,1998,15:155⁃160.
[ 6 ]   TRIMBUR D E,GUTSHALL K R,PREMA P,et al.Characterization
of a psychrotrophic Arthrobacter gene and its cold⁃active β⁃
galactosidase[J].Appl Environ Microbiol,1994,60:4544⁃4552.
[ 7 ]   FERNANDES S,GEUEKE B,DELGADO O,et al.β⁃galactosidase
from a cold⁃adapted bacterium:purification,characterization and
application for lactose hydrolysis[ J] .Appl Microbiol Biotechnol,
2002,58:313⁃321.
[ 8 ]   王欣,吴斌,何冰芳.β 半乳糖苷酶的筛选、克隆表达、酶学性
质及其酶法合成低聚半乳糖[ J] .生物加工过程,2015,13
(6):30⁃35.
[ 9 ]   DAABROWSKI S,SOBIEWSKA G,Maciuńska J,et al. Cloning,
expression,and purification of the His6 ⁃tagged thermostable β⁃
galactosidase from Pyrococcus woesei in Escherichia coli and some
properties of the isolated enzyme[ J] . Protein Expr Purif,2000,
19:107⁃112.
[10]   WANG G, GAO Y, HU B, et al. A novel cold⁃adaptedb⁃
galactosidase isolated from Halomonas sp. S62: gene cloning,
purification and enzymatic characterization[J] . World J Microbiol
Biotechnol,2013,29:1473⁃1480.
[11]   Invitrogen Corporation.Pichia expression kit:a manual of methods
for expression of recombinant proteins in Pichia pastoris[C].San
Diego:Life Technologies Corporation,2014.
[12]   Sheridan P P,Brenchley J E.Characterization of a salt⁃tolerant family
42 β⁃galactosidase from a psychrophilic Antarctic Planococcus isolate
[J].Appl Environ Microbiol,2000,66:2438⁃2444.
(责任编辑  荀志金)
63 生  物  加  工  过  程    第 14卷