李同彪,周晨妍,朱新術(shù),王燕
(新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,河南 新鄉(xiāng),453003)
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N-端二硫鍵及芳香族氨基酸對木聚糖酶XynZF-2熱穩(wěn)定性的影響
李同彪,周晨妍*,朱新術(shù),王燕
(新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,河南 新鄉(xiāng),453003)
為提高GH11家族中溫木聚糖酶XynZF-2的熱穩(wěn)定性,將其N-端替換成GH11家族的耐熱性木聚糖酶EvXyn11的相應(yīng)序列,并在該段序列引入芳香族氨基酸殘基(P9Y、H14F),構(gòu)建雜合木聚糖酶基因xynEV-34,將木聚糖酶基因xynZF-2和xynEV-34分別在E.coliBL21中表達(dá),并分析溫度和pH對酶活性的影響。結(jié)果表明,雜合木聚糖酶XynEV-34的最適溫度為48 ℃,相比原酶XynZF-2提高了8 ℃。在40 ℃保溫1 h,原酶XynZF-2殘余酶活性下降到44.36%,而突變酶Xyn34殘余酶活性為77.96%。在45 ℃,突變酶XynEV-34的半衰期t1/245℃為23 min,較重組酶XynZF-2(t1/245℃=7 min)提高了16 min。同時(shí),兩種酶的最適pH均為5.0,但pH穩(wěn)定性由原來的4.4~9.0擴(kuò)增到了3.0~9.0。由此表明,二硫鍵以及芳香族氨基酸的引入,對該酶的熱穩(wěn)定性以及pH穩(wěn)定性都有明顯改善。
木聚糖酶;二硫鍵;芳香族氨基酸;熱穩(wěn)定性
木聚糖是由木糖、阿拉伯半乳聚糖以及葡甘聚糖等組成的含量豐富的細(xì)胞壁多糖,是半纖維素的主要成分,其主鏈?zhǔn)怯搔?1,4糖苷鍵連接的D-木糖殘基組成[1]。木聚糖酶(EC 3.2.1.8)是一種糖苷類水解酶,可以隨機(jī)內(nèi)切木聚糖的β-1,4糖苷鍵產(chǎn)生還原性的低聚木糖[2]。目前,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)木聚糖酶在糖苷類水解酶5、7、8、10、11和43等家族分布廣泛,根據(jù)結(jié)構(gòu)、理化特性以及催化模式的不同,主要分為F10和GH11家族[3]。F10家族的木聚糖酶蛋白結(jié)構(gòu)呈桶狀型[4],而GH11家族的木聚糖酶呈右手半握狀[3]。
木聚糖酶可以提高半纖維素原料的工業(yè)利用率以及飼料利用率,同時(shí),可以用于紙漿漂白、食品加工、紡織、生物燃料等多個(gè)領(lǐng)域[5]。然而,隨著木聚糖酶工業(yè)用途的不斷拓展,其工業(yè)適用性越來越受到低熱穩(wěn)定性的限制[6]。因此,改善木聚糖酶的熱穩(wěn)定性已成為廣泛研究的焦點(diǎn)。表面帶電殘基、鹽橋、氫鍵、芳香族氨基酸、N-端和α-螺旋處二硫鍵的引入可以增加木聚糖酶局部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,從而可以有效改善木聚糖酶的熱穩(wěn)定性[7]。如WANG等利用Swiss-PdbViewer分析來源于T.lanuginosusDSM10635的木聚糖酶TLX,在N-端引入一個(gè)二硫鍵(Q1C-Q24C),在大腸桿菌BL21中基因表達(dá)發(fā)現(xiàn),二硫鍵突變酶最適溫度提高了10 ℃,在pH 8.0和70 ℃條件下,二硫鍵突變酶的半衰期提高了20倍。通過圓二色譜測定解鏈溫度發(fā)現(xiàn),解鏈溫度從66 ℃增加到了74 ℃。因此,N-端二硫鍵的引入使得動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定性大幅度提高[8]。
木聚糖酶基因xynZF-2是由本實(shí)驗(yàn)室從黑曲霉(Aspergillusniger)XZ-3S中分離獲得,該酶屬于中溫木聚糖酶,最適溫度為40 ℃,高溫條件下熱穩(wěn)定性較差難以滿足工業(yè)要求[9]。本研究利用生物信息學(xué)比對木聚糖酶XynZF-2基因序列(GenBank Accession No.JQ700382)與耐熱木聚糖酶EvXyn11基因序列(GenBank Accession No.EU591347)的同源性,通過N-端替換引入二硫鍵,并在替換的N-端區(qū)域引入芳香族基酸,增加芳香族氨基酸含量以期望提高木聚糖酶XynZF-2熱穩(wěn)定性。
1.1材料
EscherichiacoliBL21(DE3)、pET-28a均購自Novagen公司,重組質(zhì)粒pET-28a-xynZF-2由本實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建在E.coliBL21上并保存;TaqDNA聚合酶、DL1000 DNA Marker、限制性內(nèi)切酶、T4DNA Ligase、X-gal、IPTG及購自TaKaRa公司;DNA片段回收試劑盒和質(zhì)粒提取試劑盒購自Sangon公司;蛋白分子量標(biāo)準(zhǔn)購自碧云天生物技術(shù)有限公司;樺木木聚糖購自Sigma公司;其他試劑為國產(chǎn)或進(jìn)口分析純。
1.2木聚糖酶初級(jí)結(jié)構(gòu)比對分析以及三維建模
通過The ProtParam program (http://web.expasy.org/protparam/) 分析木聚糖酶的理化性質(zhì)[10],BLAST和DNAMAN6.0同源序列比對與木聚糖酶XynZF-2同源性較高的耐熱木聚糖酶基因,PROSITE (http://prosite.expasy.org)預(yù)測木聚糖酶功能位點(diǎn),利用Phyre2 (http://www.sbg.bio.ic.ac.uk/phyre2/html/page.cgi?id=index)對木聚糖酶XynZF-2建模,同時(shí),并通過DS ViewerPro6.0分析木聚糖酶的三維結(jié)構(gòu)。
1.3N-端替換區(qū)域基因合成
將XynZF-2的N-端48個(gè)氨基酸替換成EvXyn11 N-端相應(yīng)的34個(gè)氨基酸,以EvXyn11 N-端的34個(gè)氨基酸為模板,與來源于褐色高溫單孢菌(Thermomonosporafusca)的耐熱木聚糖酶TfxA的N-端區(qū)域比對,在EvXyn11 N-端的34個(gè)氨基酸中引入芳香族氨基酸,依據(jù)大腸桿菌密碼子偏愛性,設(shè)計(jì)重組的EvXyn11 N-端的34個(gè)氨基酸基因序列Ev34,根據(jù)Ev34和xynZF-2基因序列設(shè)計(jì)引物(表1),并由金唯智生物科技有限公司合成。
表1 引物序列
注:下劃線為酶切位點(diǎn)。
1.4突變基因的擴(kuò)增與重組載體的構(gòu)建
以pET-28a-xynZF-2為模板,采用重疊延伸PCR法擴(kuò)增突變基因xynEV-34,反應(yīng)條件見參考文獻(xiàn)[9],雙酶切突變基因xynEV-34和質(zhì)粒pET-28a,T4DNA Ligase連接雙酶切產(chǎn)物,16 ℃過夜,構(gòu)建表達(dá)載體pET-28a-xynEV-34,轉(zhuǎn)化E.coliBL21(DE3),經(jīng)含有Kan抗性的平板篩選出單克隆菌落,提取重組質(zhì)粒pET-28a-xynEV-34,經(jīng)雙酶切驗(yàn)證后,送金唯智生物科技有限公司測序。
1.5重組木聚糖酶的誘導(dǎo)表達(dá)與純化
突變基因測序后,重組菌株BL21/pET-28a-xynZF-2和BL21/pET-28a-xynEV-34,經(jīng)IPTG誘導(dǎo)表達(dá),采用超聲波細(xì)胞破碎等方法提取粗酶液[11]。利用鎳金屬螯合層析柱純化含有His標(biāo)簽蛋白的重組木聚糖酶XynEV-34和XynZF-2,純化后樣品經(jīng)SDS-PAGE蛋白電泳(15%分離膠和5%濃縮膠)檢測[9]。
1.6木聚糖酶酶活性測定
采用DNS法測定木聚糖酶活性[9]。1.5 mL 0.5%樺木木聚糖溶液(pH 4.6)與1 mL適當(dāng)稀釋的酶液,40 ℃下反應(yīng)15 min,加入2.5 mL DNS溶液,沸水浴7 min顯色,冷卻后加入5 mL蒸餾水,測定OD540值。在上述條件下,以每分鐘產(chǎn)生1 μmol還原糖所需的酶量定義為1個(gè)單位(U)。
1.7酶學(xué)性質(zhì)分析
通過最適溫度、熱穩(wěn)定性、最適pH以及pH穩(wěn)定性等酶學(xué)性質(zhì)對比研究純化后的原酶XynZF-2和突變酶XynEV-34,具體操作方法見參考文獻(xiàn)[9]。
1.8統(tǒng)計(jì)學(xué)處理
每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù),取其平均值,最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均用SPSS11.0軟件進(jìn)行處理,并繪制出相應(yīng)的圖形。
2.1重組木聚糖酶結(jié)構(gòu)分析
BLAST比對木聚糖酶XynZF-2和EvXyn11氨基酸序列同源性為63%,且兩者均屬于GH11家族木聚糖酶。同時(shí),對耐熱性木聚糖酶EvXyn11三維同源建模發(fā)現(xiàn),EvXyn11 N-端區(qū)域含有一個(gè)二硫鍵(Cys5-Cys32)。因此,以木聚糖酶XynZF-2為母本,將N-端的48個(gè)氨基酸替換成耐熱性木聚糖酶EvXyn11相應(yīng)的34個(gè)氨基酸。同時(shí),木聚糖酶EvXyn11的N-端34個(gè)氨基酸與耐熱木聚糖酶TfxA的N-端區(qū)域的氨基酸殘基比對分析,如圖1所示,EvXyn11與TfxA 的N-端芳香族氨基酸位點(diǎn)分布基本相同,為提高EvXyn11 N-端芳香族氨基酸含量,在第9、14位點(diǎn)引入芳香族氨基酸(P9Y、H14F),構(gòu)建雜合木聚糖酶XynEV-34。以相似性最高,PDB號(hào)分別為1TE1(68%相似與XynZF-2)和2VUL(73%相似與XynEV-34)的木聚糖酶的3D結(jié)構(gòu)為模板對XynZF-2和XynEV-34同源建模。建模結(jié)果表明,XynZF-2和XynEV-34模型與原序列相似度分別為91%和99%,置信度均為100%,符合建模要求。突變酶與原酶結(jié)構(gòu)相似,都屬于GH11家族,由一個(gè)簡單的α-螺旋以及兩個(gè)反向的β-折疊片層組成,呈右手半握狀結(jié)構(gòu)。然而,原酶XynZF-2活性中心位點(diǎn)(Glu103和Glu194)與突變酶(Glu89和Glu194)不一致,這是由于N-端替換導(dǎo)致氨基酸數(shù)量減少所致(圖2、圖3)。
圖1 耐熱木聚糖酶EvXyn11和TfxA 的N-端區(qū)域序列比對Fig.1 N-terminal amino acid alignment of EvXyn11 with TfxA(注:下劃線為二硫鍵位點(diǎn),箭頭為突變位點(diǎn),陰影部分為芳香族氨基酸)
圖2 雜合木聚糖酶XynEV-34三維結(jié)構(gòu)Fig.2 The 3D structure of the hybrid xylanase XynEV-34
圖3 木聚糖酶XynZF-2三維結(jié)構(gòu)Fig.3 The 3D structure of the xylanase XynZF-2
2.2雜合木聚糖酶基因的擴(kuò)增與表達(dá)載體的構(gòu)建
由金唯智合成的N端基因序列Ev34約112bp,構(gòu)建在pUC57載體上。以pUC57-Ev34為模板,通過PCR擴(kuò)增得到目的片段Ev34,如圖4所示。利用重疊延伸PCR技術(shù)擴(kuò)增雜合木聚糖酶基因xynEV-34,如圖5所示,雜合木聚糖酶基因xynEV-34電泳條帶明顯低于原酶基因xynZF-2。雙酶切(EcoRⅠ、HindⅢ)雜合基因xynEV-34和質(zhì)粒pET-28a,構(gòu)建重組表達(dá)載體pET-28a-xynEV-34,轉(zhuǎn)化大腸桿菌BL21,基因測序結(jié)果顯示雜合基因與預(yù)期結(jié)果一致。
M-DNA marker;1-Ev34的PCR產(chǎn)物圖4 Ev34的PCR擴(kuò)增Fig.4 PCR amplification of Ev34
M-DNA marker;1-xynZF-2的PCR產(chǎn)物;2-xynEV-34的PCR產(chǎn)物圖5 xynZF-2和xynEV-34的PCR擴(kuò)增Fig.5 PCR amplification of xynZF-2 and xynEV-34
2.3雜合木聚糖的表達(dá)與純化
經(jīng)IPTG誘導(dǎo)的重組菌株BL21/pET-28a-xynZF-2和BL21/pET-28a-xynEV-34,通過超聲波破碎,高速離心得到粗酶液,并通過鎳金屬螯合層析柱純化粗酶液,SDS-PAGE電泳檢測如圖6所示。另外,通過The ProtParam program (http://web.expasy.org/protparam/) 分析計(jì)算重組酶XynZF-2和XynEV-34的分子質(zhì)量發(fā)現(xiàn),突變酶XynEV-34分子質(zhì)量相對原酶XynZF-2(32 kDa),僅僅減少了1 kDa左右。因此,圖6顯示的純化后兩種木聚糖酶條帶相差不明顯。
M-蛋白質(zhì)Marker;1-純化后的XynZF-2;2-純化后的XynEV-34圖6 重組木聚糖酶XynZF-2 and XynEV-34的SDS-PAGE分析Fig.6 SDS-PAGE analysis of the recombinant xylanase XynZF-2 and XynEV-34
2.4酶學(xué)性質(zhì)分析
2.4.1重組木聚糖酶最適溫度以及熱穩(wěn)定性的分析
對純化后的重組木聚糖酶酶學(xué)性質(zhì)分析發(fā)現(xiàn),如圖7所示,突變酶XynEV-34最適溫度為48 ℃,相比原酶XynZF-2的40 ℃,最適溫度提高了8 ℃。溫度對重組木聚糖酶熱穩(wěn)定性的影響如圖8所示,原酶XynZF-2熱穩(wěn)定性較差,在40 ℃條件下保溫60 min,殘余酶活性下降到44.36%,而突變酶XynEV-34保溫60 min,殘余酶活性為77.96%。由此可見,40 ℃條件下,突變酶XynEV-34熱穩(wěn)定性明顯提高。在45 ℃條件下,原酶XynZF-2與突變酶XynEV-34分別保溫60 min,如圖8所示,原酶XynZF-2的半衰期t1/245℃為7 min,突變酶XynEV-34的t1/245℃半衰期為23 min,提高了16 min;保溫20 min后,原酶XynZF-2基本喪失酶活性,而突變酶XynEV-34殘余酶活性仍高達(dá)57.92%。通過N-端替換引入的二硫鍵和芳香族氨基酸使木聚糖酶XynZF-2的熱穩(wěn)定性明顯改善。
圖7 重組木聚糖酶酶最適溫度比較Fig.7 Comparison of the optimum temperature of the recombinant xylanases
圖8 重組木聚糖酶XynEV-34和XynZF-2熱穩(wěn)定性比較Fig.8 Comparison of the thermostability between the recombinant xylanase XynEV-34 and XynZF-2
2.4.2重組木聚糖酶最適pH以及pH穩(wěn)定性的分析
測定pH對重組木聚糖酶酶活性的影響發(fā)現(xiàn),原酶XynZF-2與突變酶XynEV-34的最適pH都在5.0左右,基本沒有改變(圖9)。同時(shí),將原酶XynZF-2與突變酶XynEV-34在不同pH的緩沖液中保溫1 h,測定各自相對酶活性發(fā)現(xiàn),由圖10可見,原酶XynZF-2在pH4.5~9.0之間的相對酶活性在50%以上,而突變酶Xyn34在pH3.0~9.0之間的相對酶活性在50%以上,由此可見,突變酶XynEV-34的pH穩(wěn)定區(qū)間相比原酶XynZF-2明顯擴(kuò)大。由此可以推斷,N-端替換可能使得木聚糖酶XynEV-34局部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,從而使得該酶pH穩(wěn)定性增強(qiáng)。
圖9 重組木聚糖酶最適pH比較Fig.9 Comparison of the optimum pH of the recombinant xylanases
圖10 重組木聚糖酶pH穩(wěn)定性比較Fig.10 Comparison of the pH stability of the recombinant xylanases
研究表明,通過中溫和耐熱木聚糖酶的氨基酸序列比對,可以有效確定與木聚糖酶耐熱性相關(guān)的氨基酸殘基以及結(jié)構(gòu)區(qū)域[12]。另外,在木聚糖酶結(jié)構(gòu)中理性的引入二硫鍵,可以明顯改善木聚糖酶的熱穩(wěn)定性,二硫鍵主要作用在蛋白的折疊區(qū)域,降低蛋白去折疊狀態(tài)的熵值以穩(wěn)定蛋白構(gòu)象,從而提高木聚糖酶的熱穩(wěn)定性[13]。
本研究通過同源序列分析,將木聚糖酶XynZF-2的N-端48個(gè)氨基酸替換成木聚糖酶EvXyn11 N-端含有二硫鍵(Cys5-Cys32)相應(yīng)的34個(gè)氨基酸,增強(qiáng)β-折疊片之間的穩(wěn)定性。同時(shí),EvXyn11的N-端的34個(gè)氨基酸與耐熱木聚糖酶TfxA的N-端區(qū)域的氨基酸殘基比對及結(jié)構(gòu)分析,在EvXyn11 N-端的β鏈B1上引入芳香族氨基酸(P9Y、H14F),增強(qiáng)β鏈B1與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的疏水作用,穩(wěn)定N-端局部結(jié)構(gòu),進(jìn)而提高整個(gè)酶分子的穩(wěn)定性。同時(shí),構(gòu)建對突變酶XynEV-34酶學(xué)性質(zhì)分析發(fā)現(xiàn),突變酶最適溫度為48 ℃,相比原酶提高了8 ℃;相比原酶XynZF-2,突變酶XynEV-34的t1/245℃半衰期提高了16 min。由此可以得出,木聚糖酶XynZF-2的N-端引入二硫鍵以及芳香族氨基酸使得其熱穩(wěn)定性明顯改善。這種通過同源序列比對以及結(jié)構(gòu)分析來改造木聚糖酶的熱穩(wěn)定性,為其他木聚糖酶的分子改造提供了思路和方法,同時(shí)也為木聚糖酶工業(yè)用途的拓展奠定了基礎(chǔ)。
[1]GOSWAMI G K,KRISHNAMOHAN M,Nain V,et al.Cloning and heterologous expression of cellulose free thermostable xylanase from Bacillus brevis[J]. Springer Plus, 2014, 3(20): 2-6.
[2]ZHANG H M,LI JF, WANG J Q,et al.Determinants for the improved thermostability of a mesophilic family 11 xylanase predicted by computational methods[J].Biotechnology for Biofuels,2014,7(3):1-10.
[3]LI H,VOUTILAINEN S,OJAMO H,et al.Stability and activity ofDictyoglomusthermophilumGH11 xylanase and its disulphide mutant at high pressure and temperature[J].Enzyme and Microbial Technology,2015,70:66-71.
[4]WANG J Q,TAN Z B,WU M C,et al.Improving the thermostability of a mesophilic family 10 xylanase,AuXyn10A,from Aspergillus usamii by in silico design[J].Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology,2014,41(8):1 217-1 225.
[5]SATYANARAYANA D V T.Improvement in thermostability of metagenomic GH11 endoxylanase (Mxyl) by site-directed mutagenesis and its applicability in paper pulp bleaching process[J]. Journal of Microbiology and Biotechnology,2013,40(12):1 373-1 381.
[6]QIAN C L,LIU N,YAN X,et al.Engineering a high-performance,metagenomic-derived novel xylanase with improved soluble protein yield and thermostability[J].Enzyme and Microbial Technology,2015,70:35-41.
[7]YIN X,LI J F,WANG J Q,et al.Enhanced thermostability of a mesophilic xylanase by N-terminal replacement designedby molecular dynamics simulation[J].Journal of the Science of Food and Agriculture,2013,93(12):3 016-3 023.
[8]WANG Y W,Fu Z,HUANG H Q,et al.Improved thermal performance ofThermomyceslanuginosusGH11 xylanase by engineering of an N-terminal disulfide bridge[J].Bioresource Technology,2012,112:275-279.
[9]FU GH,WANG Y T,WANG D D,et al.Cloning,expression, and characterization of an GH11 xylanase fromAspergillusnigerXZ-3S[J].Indian Journal of Microbiology,2012,52(4):682-688.
[10]YIN X,GONG Y Y,WANG J Q,et al.Cloning and expression of a family 10 xylanase gene (Aoxyn10) fromAspergillusoryzaeinPichiapastoris[J].Journal of General and Applied Microbiology,2013,59:405-415.
[11]李同彪,周晨妍,朱新術(shù),等.V1C定點(diǎn)突變木聚糖酶XynZF-2對酶熱穩(wěn)定性的影響[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2015,41(4):167-171.
[12]柏文琴,楊魯紅,馬延和.通過N端引入芳香族氨基酸提高木聚糖酶熱穩(wěn)定性[J].生物工程學(xué)報(bào),2014,30(8):1 217-1 224.
[13]劉曉彤,鄔敏辰,殷欣,等.二硫鍵對提高木聚糖酶AoXyn11熱穩(wěn)定性的作用[J].食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào),2014,33(10):1 038-1 043.
Effect of N-terminal disulfide bridge and aromatic residues on the thermal stability of xylanase XynZF-2
LI Tong-biao, ZHOU Chen-yan*,ZHU Xin-shu, WANG Yan
(School of Life Science and Technology, Xinxiang Medical University, Xinxiang 45300, China)
In order to improve the thermostability of a mesophilic family GH11 xylanase XynZF-2, the N-terminus of xylanase XynZF-2 was substituted with the corresponding sequence of a hyperthermostability family GH11 xylanase EvXyn11. The aromatic residues (P9Y and H14F) were introduced into this corresponding sequence of xylanase EvXyn11 to construct the hybrid xylanase genexynEV-34. XynZF-2- and XynEV-34-encoding genes were expressed inE.coliBL21, respectively, and effects of pH and temperatures on the activity of xylanase were analyzed. Compared to the optimum temperature of XynZF-2, the optimum temperature of XynEV-34, increasing by 8 ℃, was 48 ℃. In addition, the Xyn34 and XynZF-2 respectively retained about 77.96% and 44.36% of activity after treatment at 40℃ for 60 min. Compared to XynZF-2 witht1/245℃of 7 min,t1/245℃of XynEV-34 was increased to 23 min. Optimum pH values of the XynZF-2 and XynEV-34 did not change notably. However, the pH range for stability of XynEV-34 was broadened from 4.4~9.0 to 3.0~9.0. This study demonstrated that the introduction of a disulfide bridge and aromatic residues could improve the thermostability and pH stability of the XynZF-2 notably.
xylanase; disulfide bridge; aromatic residues; thermostability
10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201601005
碩士研究生(周晨妍副教授為通訊作者,E-mail:zhouchenyan2008@163.com)。
河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(13A180861;14A180018);河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃項(xiàng)目(2011GGJS-125);新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院科研項(xiàng)目培育基金(2013ZD113);新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院研究生科研創(chuàng)新支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(YJSCX20434Y)
2015-07-01,改回日期:2015-09-08