Bacillus sp. WMN1碱性木聚糖酶的分离纯化及其酶基因的克隆表达

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内切木聚糖酶是降解木聚糖的关键酶,作用于木聚糖的β-1,4-糖苷键,从内部将木聚糖切断。按催化反应的最适pH值可分为酸性木聚糖酶、中性木聚糖酶和碱性木聚糖酶。碱性木聚糖酶因具有宽pH适应性和热稳定性好等特点,在造纸等行业具有非常好的应用价值。本论文筛选到一株产碱性内切木聚糖酶的菌株Bacillus sp.WMN1,分离纯化到其碱性内切木聚糖酶并进行酶学性质的研究,根据保守序列设计引物,克隆到其新的内切木聚糖酶基因并实现了其在大肠杆菌系统中的高效表达。本论文的主要内容有:(1)筛选到一株产碱性内切木聚糖酶的菌株。经16S rDNA基因序列分析,初步鉴定为芽孢杆菌属(Bacillus sp.),命名为Bacillus sp.WMN1。液体发酵测得酶活为360U/mL。(2)分离纯化到Bacillus sp.WMN1产生的碱性内切木聚糖酶蛋白。利用DEAE Sepharose Fast Flow阴离子交换层析和Superdex 75凝胶过滤层析分离到WMN1内切木聚糖酶蛋白,其分子量约为36 k Da。酶学特性研究显示,该木聚糖酶的最适反应pH为8.5,最适温度为50℃左右,具有优良的温度稳定性和pH稳定性,而且还具有耐多种金属离子、表面活性剂以及金属螯合物等特性。在pH 5-11范围内,该木聚糖酶稳定,具有宽pH适应性,即具有既耐酸又耐碱的强抗逆特性,在造纸制浆、洗涤等工业中具有良好的应用价值。(3)克隆到Bacillus sp.WMN1的内切木聚糖酶基因。从Bacillus sp.WMN1的基因组DNA中扩增得到WMN1内切木聚糖酶基因完整的开放阅读框(ORF),长1308 bp,编码435个氨基酸。将其酶基因的编码氨基酸序列在NCBI数据库运用BLAST进行同源性比较,发现该氨基酸序列与同为10家族的内切木聚糖酶Jonesia quinghaiensis具有83%的最高相似性,可初步推断编码该氨基酸序列的基因为新的内切木聚糖酶基因。(4)实现了Bacillus sp.WMN1的内切木聚糖酶基因在大肠杆菌中的表达。用PCR方法从Bacillus sp.WMN1的基因组DNA中分离出全长酶基因,利用Nde I和Xho I双酶切将其插入到表达载体pET-28a(+)中,得到重组质粒pET-28a-WMN1,并转化入大肠杆菌E.coli BL21 Star(DE3)菌株,筛选得到了可以高效表达酶蛋白的大肠杆菌重组菌株。(5)分离到酶学特性更优的重组碱性内切木聚糖酶rWMN1蛋白。利用阴离子交换层析分离到分子量约为42 kDa的重组酶蛋白。酶学性质研究发现,重组碱性内切木聚糖酶rWMN1蛋白在最适作用pH、最适作用温度及对金属离子的耐受性等方面与野生酶基本一致。但重组碱性木聚糖酶对SDS具有非常良好的耐受性,这与SDS对野生酶活性有部分抑制作用不同。重组碱性内切木聚糖酶在终浓度为1.5%的市售立白洗衣粉中的稳定性显著优于其天然的酶蛋白,显示重组酶制剂在洗涤剂等工业中的良好应用价值。
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