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大腸桿菌氨基?;腹こ叹墓潭ɑ芯?/h1>
2010-06-05 02:43:32胡家俊,劉志剛,劉
化學(xué)與生物工程 2010年10期
關(guān)鍵詞:懸液游離活力

大腸桿菌氨基?;?ACY1)工程菌能特異性催化水解N-乙酰-L-氨基酸,主要用于氨基酸的手性拆分。ACY1廣泛存在于動(dòng)物肝腎組織中和一些微生物體內(nèi),這與其生理功能密切相關(guān)。目前,普遍認(rèn)為ACY1在生物體內(nèi)執(zhí)行蛋白質(zhì)代謝后的氨基酸挽救功能。

工業(yè)上用于氨基酸拆分的ACY1主要來(lái)源于豬腎和黑曲霉,其中豬腎ACY1酶活力較高,但需要從豬腎組織中提取,其來(lái)源有限、成本較高。為了擴(kuò)大豬腎ACY1的酶源,作者運(yùn)用分子生物學(xué)的方法成功構(gòu)建了大腸桿菌工程菌,能高效表達(dá)活力和天然酶相當(dāng)?shù)闹亟M豬腎ACY1。在此對(duì)該工程菌進(jìn)行了固定化研究,為重組豬腎ACY1在氨基酸生產(chǎn)工業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 菌種與培養(yǎng)基

大腸桿菌氨基?;腹こ叹鶵OSETTA (DE3)/ pET28a-pacy1,自行構(gòu)建并保存。

LB培養(yǎng)基( g·L-1):酵母粉5,蛋白胨 10,氯化鈉 10,pH值7.0。

1.2 試劑與儀器

氯化鈉、硼酸、無(wú)水氯化鈣、醋酸、醋酸鈉、N-乙酰-L-蛋氨酸、茚三酮、正丁醇、冰乙酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、葡萄糖、尿素、95%乙醇、FeSO4·7H2O、MgSO4·7H2O、MnSO4·5H2O,分析純;聚乙烯醇(PVA)、海藻酸鈉(SA)、瓊脂,化學(xué)純。

2HWY-2112B型恒溫振蕩器;TGL-16C型離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠;320-S型pH計(jì); U-3000型分光光度計(jì),日本 Hitachi公司;HL-2S型蠕動(dòng)泵,上海滬西分析儀器廠有限公司;HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋,國(guó)華電器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 菌懸液的制備

接種重組菌ROSETTA (DE3)/pET28a-pacy1的單菌落于LB 液體培養(yǎng)基中,于37℃、250 r·min-1振蕩培養(yǎng)過(guò)夜,次日將過(guò)夜培養(yǎng)物繼續(xù)于37℃、300 r·min-1振蕩培養(yǎng)至OD600=0.8,加入誘導(dǎo)劑IPTG至終濃度0.2 mmol·L-1,繼續(xù)培養(yǎng)3 h,離心收集菌體,并用0.1 mol·L-1磷酸緩沖溶液 (pH值7.0)清洗。于3000 r·min-1、4℃離心3次,洗滌,重懸,制得一定濃度菌懸液,立即使用。

1.3.2 固定化細(xì)胞的制備

1.3.2.1 PVA固定化細(xì)胞的制備[1]

取9 g PVA加入90 mL水,加熱至沸騰并不斷攪拌至充分溶解,冷卻至室溫,加水定容至100 mL,滅菌,冷卻至40℃,按1∶10的菌膠比將一定濃度的菌懸液加入到PVA溶液中,充分混勻。然后用蠕動(dòng)泵滴入5%硼酸(用低濃度氫氧化鈉溶液調(diào)pH值至7.0)中,固定化24 h。用生理鹽水洗凈,備用。

1.3.2.2 SA固定化細(xì)胞的制備

取2 g SA加入100 mL水,在60℃恒溫水浴鍋中加熱溶解,冷卻至室溫,加水定容至 100 mL,滅菌,冷卻至40℃,按1∶10的菌膠比將一定濃度的菌懸液加入到SA溶液中,充分混勻。然后用蠕動(dòng)泵滴入2%氯化鈣溶液中,固定化24 h。用生理鹽水洗凈,備用。

1.3.2.3 PVA-SA固定化細(xì)胞的制備

取11 g PVA和1 g SA,加入100 mL蒸餾水,水浴加熱至溶解并混勻,滅菌,冷卻至40℃,與15 mL菌懸液混合。然后用蠕動(dòng)泵滴入飽和硼酸-2%氯化鈣溶液中,固定化24 h。用生理鹽水洗凈,備用。改變PVA、SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)及固定劑用量進(jìn)行固定化。

1.3.3 固定化細(xì)胞顆粒機(jī)械強(qiáng)度及粒徑測(cè)定

1.3.3.1 機(jī)械強(qiáng)度測(cè)定[2]

機(jī)械強(qiáng)度以球徑變化率(X)表征,變化率高則機(jī)械強(qiáng)度低。取粒徑相當(dāng)?shù)亩鄠€(gè)固定化凝膠顆粒,用干凈濾紙吸去表面的水,均勻置于兩片平面玻片之間,用游標(biāo)卡尺測(cè)玻璃片間距r0,再將50 g的砝碼均勻放置在玻璃片上,用游標(biāo)卡尺測(cè)變化后的玻璃片間距r。球徑變化率X=[(r0-r)/r0]×100%。

1.3.3.2 固定化顆粒體積和平均直徑的測(cè)定

取經(jīng)充分浸潤(rùn)的固定化凝膠顆粒,用濾紙吸干其表面附著水分,先在量筒內(nèi)加入一定體積蒸餾水V1,再加入顆粒,此時(shí),總體積為V2。所測(cè)的顆粒體積V=V2-V1。

取20粒固定化凝膠顆粒排列成直線,測(cè)其總長(zhǎng)度,計(jì)算固定化凝膠顆粒的平均直徑[3]。

1.3.4 酶活力的測(cè)定

ACY1酶活測(cè)定采用酸式茚三酮法[4]。(1)吸取2 mL 0.04 mol·L-1N-乙酰-L-蛋氨酸溶液(pH值7.0)加入到試管中,加入0.2 mol·L-1磷酸鉀緩沖溶液(pH值7.0)2 mL,于37℃恒溫水浴中保溫至平衡。(2)在試管中加入1 mL酶液,搖勻,每隔3 min吸取0.5 mL反應(yīng)液加入已有0.5 mL 0.5%三氯乙酸的試管中,立即搖勻終止反應(yīng)。(3)各試管中分別加入1 mL醋酸緩沖溶液(pH值5.4)和1 mL 0.5%茚三酮溶液,搖勻后放入90~100℃熱水中,反應(yīng)15 min,用自來(lái)水冷卻約5 min至室溫。(4)每管加入3 mL 60%乙醇,稀釋搖勻,測(cè)定OD570值。(5)利用已知濃度的Met溶液繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線可知反應(yīng)液中產(chǎn)物的濃度,從而計(jì)算相應(yīng)時(shí)間段的酶反應(yīng)速度。

酶活力定義:在25℃,每分鐘水解1 μmol·L-1N-乙酰-L-蛋氨酸所需的酶量為一個(gè)酶活力單位。

2 結(jié)果與討論

2.1 固定化載體的選擇

采用不同的固定化載體固定ACY1工程菌,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同固定化載體的固定化效果

由表1可知,9%PVA 固定化細(xì)胞顆粒彈性好,但是平均變化率最高,即機(jī)械強(qiáng)度最低,且其成球性差,顆粒粒徑過(guò)大;2%SA及1%PVA-3%SA固定化顆粒的粒徑大小適中,成球性好,但是彈性不好,其中2%SA固定化顆粒的機(jī)械強(qiáng)度也低、1%PVA-3%SA固定化顆粒的機(jī)械強(qiáng)度大幅提高;10%PVA-1%SA固定化顆粒的平均變化率為3.07%,其機(jī)械強(qiáng)度明顯高于其它三種,彈性也好,受壓后易于恢復(fù),粒徑大小也適中,但其成球性不是很好(出現(xiàn)拖尾),這可以通過(guò)改變PVA比例來(lái)改善。綜合考慮,選擇PVA-1%SA復(fù)合載體來(lái)制備固定化顆粒。PVA所占比例較高,可提高彈性,有利于提高機(jī)械強(qiáng)度;適當(dāng)加入少量的SA可使成球性變好,粘連降低,小球機(jī)械強(qiáng)度和活性提高;粒徑越小,固定化收率和酶活越高,這是因?yàn)檩^小的顆粒具有良好的擴(kuò)散性。

2.2 PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PVA-1%SA復(fù)合載體固定化效果的影響[5](表2)

表2 PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PVA-1%SA復(fù)合載體固定化效果的影響

由表2可知,PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)復(fù)合載體的固定化效果最好,因此,選擇8%PVA-1%SA為適宜的固定化材料(分別采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PVA溶液及1%SA作載體,包埋相同濃度的菌懸液時(shí),當(dāng)PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于8%時(shí),固定化細(xì)胞的機(jī)械強(qiáng)度較差,不易成球,在使用過(guò)程中容易潰破,所以這里不予考慮)。

2.3 固定劑用量及pH值的選擇

改變固定劑用量及pH值制備固定化顆粒,結(jié)果見(jiàn)表 3。

表3 固定劑用量及pH值對(duì)固定化效果的影響

由表3可知,適宜固定劑為pH值6.7的3%硼酸-1%氯化鈣。

2.4 固定化細(xì)胞與游離細(xì)胞酶活力的比較

將相同菌比的固定化細(xì)胞和游離細(xì)胞按1.3.4方法測(cè)定其OD570(本實(shí)驗(yàn)以O(shè)D570值表征酶活力大小,其值越高,L-半胱氨酸含量越高,則單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物量越高即酶活力越高)。不同保存條件下固定化細(xì)胞與游離細(xì)胞的OD570測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。

據(jù)表4中的OD570平均值繪制曲線,以直觀比較固定化細(xì)胞和游離細(xì)胞的酶活力,結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 保存時(shí)間對(duì)固定化細(xì)胞與游離細(xì)胞酶活力的影響

由圖1可知,當(dāng)固定化細(xì)胞剛制備出來(lái)時(shí),酶回收率(固定化細(xì)胞酶活與游離細(xì)胞酶活之比)高達(dá)91.46%;4℃下保存7 d后,固定化細(xì)胞和游離細(xì)胞的酶活力均有所下降,但是下降幅度不大,分別為5.37%和13.50%;再室溫保存7 d后,固定化細(xì)胞的酶活力下降2.50%,而游離細(xì)胞的酶活力大幅下降(降幅51.3%);再室溫保存14 d后,固定化細(xì)胞酶活力仍然僅小幅下降,為初始對(duì)照的90.76%,而游離細(xì)胞的酶活力大幅下降,只有初始對(duì)照的29.69%。由此可知,固定化細(xì)胞的酶活保留率明顯高于游離細(xì)胞,這是因?yàn)楣潭ɑd體對(duì)酶有保護(hù)作用[6]。

表4 不同保存條件下固定化細(xì)胞與游離細(xì)胞的OD570測(cè)定結(jié)果

3 結(jié)論

分別以聚乙烯醇(PVA)、海藻酸鈉(SA)及PVA-SA為固定化載體對(duì)大腸桿菌氨基酰化酶工程菌進(jìn)行固定。結(jié)果表明,PVA-SA固定化凝膠顆粒具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。確定PVA-SA的最佳包埋條件如下:PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%,SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%,固定劑為pH值6.7的3%硼酸-1%氯化鈣。此條件下制備的固定化細(xì)胞的酶回收率為91.46%。于4℃保存7 d、再室溫保存14 d后,固定化細(xì)胞的酶活力為初始對(duì)照的90.76%,而游離細(xì)胞只有初始對(duì)照的29.69%。

參考文獻(xiàn):

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