唐詩涵, 李雪晴,袁風(fēng)嬌,李劍芳, 鄔敏辰
(1.江南大學(xué) 食品學(xué)院,江蘇 無錫 214122;2.江南大學(xué) 無錫醫(yī)學(xué)院,江蘇 無錫 214122)
內(nèi)切型 β-1,4-D-甘露聚糖酶 (endo-β-1,4-D-mannanase,EC 3.2.1.78)簡稱 β-甘露聚糖酶,能特異性催化甘露聚糖分子主鏈β-1,4-D-糖苷鍵的水解,其產(chǎn)物為不同聚合度的甘露寡糖和少量單糖分子[1]。研究表明,甘露寡糖能有效促進(jìn)人與動(dòng)物腸道內(nèi)雙歧桿菌和乳酸桿菌等有益菌群的增殖,同時(shí)能抑制有害菌群的生長,從而增強(qiáng)機(jī)體的非特異性免疫力[2]。β-甘露聚糖酶廣泛存在于各種生物體尤其是微生物和植物中,在食品、飼料、醫(yī)藥、生物能源和紙漿漂白等工業(yè)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值[3]。
迄今為止,已有眾多β-甘露聚糖酶基因被克隆分析,并在多種表達(dá)體系中實(shí)現(xiàn)了異源表達(dá),如畢赤酵母(Pichia pastoris)[4]、植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)[5]、大腸桿菌(Escherichia coli)[6]、里氏木霉 (Trichoderma reesei)[7]和枯草芽胞桿菌(Bacillus subtilis)[8]等體系。與畢赤酵母類似,乳酸克魯維酵母(Kluyveromyces lactis)具有生長快、操作簡便、分泌表達(dá)以及翻譯后加工準(zhǔn)確等特點(diǎn)。但畢赤酵母表達(dá)外源蛋白質(zhì)需要甲醇誘導(dǎo),因此其表達(dá)的蛋白質(zhì)/酶存在一定的安全隱患;而乳酸克魯維酵母是被美國FDA認(rèn)證為 “一般認(rèn)為安全”(generally recognized as safe,GRAS)的菌種,其所用誘導(dǎo)劑為食品級(jí)原料(如半乳糖等),因此借助其表達(dá)的蛋白質(zhì)/酶可直接用于食品、飼料和醫(yī)藥等領(lǐng)域[9]。目前已有多種糖苷水解酶如α-淀粉酶、β-半乳糖苷酶和木聚糖酶等在乳酸克魯維酵母中進(jìn)行了表達(dá)[10],但未見有β-甘露聚糖酶在乳酸克魯維酵母中表達(dá)的文獻(xiàn)報(bào)道。
作者所在實(shí)驗(yàn)室前期將β-甘露聚糖酶基因Auman5A和突變基因Auman5Aloop/H321G分別在畢赤酵母GS115中成功實(shí)施了表達(dá)。酶學(xué)性質(zhì)分析表明,突變酶AuMan5Aloop/H321G的溫度特性(Topt和t1/270)及其催化效率 (kcat/Km)較原酶AuMan5A均有顯著改善,分別達(dá)到 75 ℃、300 min 和 3 194 mL/(mg·s),具有較高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。而經(jīng)畢赤酵母表達(dá)的AuMan5Aloop/H321G可能存在應(yīng)用領(lǐng)域受限等問題,因此,本研究擬借助pKLAC1將Auman5Aloop/H321G在乳酸克魯維酵母GG799中表達(dá),并對(duì)轉(zhuǎn)化子的發(fā)酵產(chǎn)酶工藝進(jìn)行初步優(yōu)化,為食品級(jí)β-甘露聚糖酶的工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
乳酸克魯維酵母GG799和表達(dá)質(zhì)粒pKLAC1:購自美國New England BioLabs公司;克隆質(zhì)粒pUCm-T:購自上海Sangon公司;大腸桿菌JM109和 DH5α:購自 Novagen公司;重組表達(dá)質(zhì)粒pPICZαA-Auman5Aloop/H321G:作者所在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建和保存。
LB、YCB、YPD和YPG培養(yǎng)基的配制:參照K.lactis Protein Expression Kit(New England BioLabs公司,2005版)操作手冊(cè)。
ExTaq DNA聚合酶、限制性內(nèi)切酶、T4 DNA連接酶、250 bp DNA Ladder Marker和低相對(duì)分子質(zhì)量蛋白質(zhì)Marker:均購自大連TaKaRa公司;EZ-10柱式DNA膠回收試劑盒:購自上海Sangon公司;標(biāo)準(zhǔn)D-甘露糖和角豆膠:Sigma公司產(chǎn)品;其它試劑均為國產(chǎn)或進(jìn)口分析純。
根據(jù)表達(dá)質(zhì)粒pKLAC1多克隆位點(diǎn)和Kex酶切位點(diǎn)以及Auman5Aloop/H321G或Auman5A核苷酸序列(GenBank登錄號(hào):HQ839639),設(shè)計(jì)一對(duì) PCR 引物Xho-F和Not-R,用于目的基因的擴(kuò)增;PCR引物IntPri-1、IntPri-2和IntPri-3,用于重組乳酸克魯維酵母的分析。所有引物由上海Sangon公司合成,見表1。
表1 目的基因擴(kuò)增和鑒定的PCR引物Table 1 PCR primers for the amplification and identification of Auman5Aloop/H321G
以 pPICZαA-Auman5Aloop/H321G為模板、Xho-F 和Not-R為引物,PCR擴(kuò)增目的基因Auman5Aloop/H321G:94℃預(yù)變性4 min;30個(gè)循環(huán) (94℃ 30 s、55℃ 30 s和72℃ 70 s);72℃延長10 min。 將目的PCR產(chǎn)物與pUCm-T連接,轉(zhuǎn)化大腸桿菌JM109,進(jìn)行藍(lán)白斑篩選、雙酶切鑒定和DNA測(cè)序。將測(cè)序正確的pUCm-T-Auman5Aloop/H321G經(jīng)XhoⅠ和NotⅠ雙酶切,割膠回收目的條帶,與經(jīng)同樣雙酶切的pKLAC1連接,獲重組表達(dá)質(zhì)粒pKLAC1-Auman5Aloop/H321G,轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α,DNA測(cè)序驗(yàn)證。
pKLAC1和pKLAC1-Auman5Aloop/H321G經(jīng)SacⅠ線性化,分別電轉(zhuǎn)化乳酸克魯維酵母GG799感受態(tài)細(xì)胞,涂布于含5 mmol/L乙酰胺的YCB平板,30℃靜置培養(yǎng)3 d。隨機(jī)挑取生長良好的單菌落,接種于YPD液體培養(yǎng)基中,30℃、220 r/min培養(yǎng)至菌液OD600達(dá)1.3~1.5時(shí),提取菌體基因組DNA。參照K.lactis Protein Expression Kit操作手冊(cè),以基因組DNA為模板,IntPri-1或IntPri-3和IntPri-2為上下游引物,PCR分析重組乳酸克魯維酵母,篩選出若干整合有多拷貝目的基因Auman5Aloop/H321G的轉(zhuǎn)化子;不含目的基因的轉(zhuǎn)化子命名為GG799/pKLAC1(空白對(duì)照)。將多拷貝轉(zhuǎn)化子和GG799/pKLAC1分別接種于YPD培養(yǎng)基中,于30℃、220 r/min培養(yǎng)24 h,以2%接種體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)接于30 mL YPG培養(yǎng)基中,在相同條件下誘導(dǎo)表達(dá)48 h,收集上清液測(cè)定β-甘露聚糖酶活性。選取成功表達(dá)reAuMan5Aloop/H321G且活性最高的乳酸克魯維酵母轉(zhuǎn)化子,命名為GG799/Auman5Aloop/H321G。
采用改良DNS法測(cè)定β-甘露聚糖酶活性。取2.4 mL、5 mg/mL 角豆膠溶液(用 pH 3.6、50 mmol/L檸檬酸-Na2HPO4緩沖液配制),65℃預(yù)熱10 min,加入0.1 mL適當(dāng)稀釋的酶液,65℃準(zhǔn)確反應(yīng)15 min,加入2.5 mL DNS試劑,沸水浴顯色7 min,測(cè)定OD540。在上述反應(yīng)條件下,每分鐘釋放1 μmol還原糖(以D-甘露糖計(jì))所需酶量定義為1個(gè)酶活性單位(U)。采用SDS-PAGE分析重組表達(dá)產(chǎn)物組成。以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn),采用Bradford法分析重組表達(dá)產(chǎn)物濃度。
1.7.1 誘導(dǎo)劑種類對(duì)產(chǎn)酶的影響分別用20 mg/mL乳糖、葡萄糖、麥芽糖和蔗糖替代YPG培養(yǎng)基中的半乳糖作為碳源和誘導(dǎo)劑,于30℃、220 r/min誘導(dǎo)表達(dá)96 h,取上清液測(cè)定β-甘露聚糖酶活性。
1.7.2 搖瓶裝液量對(duì)產(chǎn)酶的影響在最適誘導(dǎo)劑條件下,將搖瓶的YPG裝液量分別調(diào)整為20、30、40、50、60、70 mL/250 mL,其它條件同 1.7.1。
1.7.3 培養(yǎng)基初始pH對(duì)產(chǎn)酶的影響在最適誘導(dǎo)劑和裝液量條件下,將YPG培養(yǎng)基的初始pH分別調(diào)整為 5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5,其它條件同 1.7.1。
1.7.4 誘導(dǎo)劑初始質(zhì)量濃度對(duì)產(chǎn)酶的影響在以上各種最適條件下,調(diào)整發(fā)酵培養(yǎng)基中誘導(dǎo)劑的初始質(zhì)量濃度為20、40、80 mg/mL,每24小時(shí)取上清液測(cè)定β-甘露聚糖酶酶活性,其它條件同1.7.1。
1.7.5 誘導(dǎo)劑添加方式對(duì)菌體生長和產(chǎn)酶的影響在以上各種最適條件下,設(shè)計(jì)4種誘導(dǎo)劑添加方式:(A)誘導(dǎo)劑初始質(zhì)量濃度為40 mg/mL,后續(xù)發(fā)酵過程中不補(bǔ)加誘導(dǎo)劑;(B)誘導(dǎo)劑初始質(zhì)量濃度為20 mg/mL,后續(xù)發(fā)酵過程中不補(bǔ)加誘導(dǎo)劑;(C)誘導(dǎo)劑初始質(zhì)量濃度為40 mg/mL,每48小時(shí)補(bǔ)加誘導(dǎo)劑40 mg/mL;(D)誘導(dǎo)劑初始質(zhì)量濃度為20 mg/mL,每24小時(shí)補(bǔ)加誘導(dǎo)劑20 mg/mL。其中補(bǔ)加的誘導(dǎo)劑母液質(zhì)量濃度為400 mg/mL,在發(fā)酵過程中,每24小時(shí)取樣監(jiān)測(cè)酶活性、菌體生長量和誘導(dǎo)劑質(zhì)量濃度變化。
根據(jù)pKLAC1多克隆位點(diǎn)的特點(diǎn),在上游引物Xho-F設(shè)計(jì)時(shí)引入了XhoⅠ位點(diǎn)和Kex切割信號(hào)肽α-MF的寡肽序列 (Lys-Arg)。 當(dāng)目的基因Auman5Aloop/H321G借助XhoⅠ和NotⅠ位點(diǎn)克隆至pKLAC1的α-MF下游時(shí),經(jīng)誘導(dǎo)表達(dá)及翻譯后加工,使表達(dá)產(chǎn)物reAuMan5Aloop/H321G擁有天然N末端,見圖1。根據(jù)1.4所述方法,將Auman5Aloop/H321G與pKLAC1連接,并轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α,隨后提取轉(zhuǎn)化子的質(zhì)粒DNA,采用HindⅢ和NotⅠ雙酶切篩選重組質(zhì)粒。結(jié)果表明,空質(zhì)粒pKLAC1的雙酶切產(chǎn)物有一條約300 bp的特異性條帶;而重組質(zhì)粒pKLAC1-Auman5Aloop/H321G的產(chǎn)物有一條約1 400 bp的條帶,與預(yù)期相符。
圖1 重組表達(dá)質(zhì)粒pKLAC1-Auman5Aloop/H321G的構(gòu)建Fig.1 Construction of a recombinant expression plasmid pKLAC1-Auman5Aloop/H321G
pKLAC1和pKLAC1-Auman5Aloop/H321G經(jīng)線性化后,分別電轉(zhuǎn)化乳酸克魯維酵母GG799感受態(tài)細(xì)胞,經(jīng)含有乙酰胺的YCB平板篩選陽性轉(zhuǎn)化子。以陽性轉(zhuǎn)化子基因組DNA為模板,引物IntPri-1和IntPri-2進(jìn)行PCR鑒定,擴(kuò)增出1.9 kb的片段,表明質(zhì)粒pKLAC1和pKLAC1-Auman5Aloop/H321G均已成功整合至乳酸克魯維酵母GG799基因組;引物IntPri-2和IntPri-3進(jìn)行PCR鑒定,擴(kuò)增出2.3 kb的片段,表明乳酸克魯維酵母GG799基因組中的LAC4位點(diǎn)處整合有多拷貝串聯(lián)的表達(dá)框,未擴(kuò)增出2.3 kb片段轉(zhuǎn)化子為單拷貝子。挑取表達(dá)目的基因的多拷貝子,經(jīng)半乳糖誘導(dǎo)表達(dá)和酶活性分析獲得產(chǎn)reAuMan5Aloop/H321G活性最高的轉(zhuǎn)化子GG799/Auman5Aloop/H321G,上清液酶活性為 54.9 U/mL,空白對(duì)照GG799/pKLAC1發(fā)酵上清液未檢測(cè)出β-甘露聚糖酶活性。結(jié)果表明,β-甘露聚糖酶基因Auman5Aloop/H321G成功在乳酸克魯維酵母GG799中表達(dá)。
2.3.1 誘導(dǎo)劑種類對(duì)GG799/Auman5Aloop/H321G產(chǎn)酶的影響重組乳酸克魯維酵母可以利用多種誘導(dǎo)劑表達(dá)外源基因,誘導(dǎo)劑種類對(duì)其生長代謝和產(chǎn)酶有重要影響。如圖2(a)所示,以半乳糖為誘導(dǎo)劑時(shí),GG799/Auman5Aloop/H321G產(chǎn)β-甘露聚糖酶活力最高。由于在缺少誘導(dǎo)物的情況下,啟動(dòng)子LAC4不會(huì)被完全抑制[11],當(dāng)其以半乳糖外的還原糖甚至非還原糖作誘導(dǎo)劑,GG799/Auman5Aloop/H321G也能表達(dá)外源基因。其中以乳糖作誘導(dǎo)劑時(shí),達(dá)到了半乳糖作誘導(dǎo)劑時(shí)的73.1%,以麥芽糖為誘導(dǎo)劑時(shí)僅為半乳糖的38.7%。故選擇半乳糖作為發(fā)酵培養(yǎng)基中的碳源和誘導(dǎo)劑。
2.3.2 搖瓶裝液量對(duì)GG799/Auman5Aloop/H321G產(chǎn)酶的影響乳酸克魯維酵母在生長過程中耗氧,溶解氧濃度對(duì)其產(chǎn)酶有很大影響,在搖瓶發(fā)酵條件下,溶氧可以通過改變搖瓶的裝液量來調(diào)節(jié)。如圖2(b)所示,GG799/Auman5Aloop/H321G產(chǎn)酶的產(chǎn)酶活力隨著裝液量的增加而逐漸提高,當(dāng)裝液量達(dá)到70 mL/250 mL時(shí),產(chǎn)酶活力降低。由于搖瓶發(fā)酵時(shí)間長達(dá)96 h,水蒸汽揮發(fā)影響培養(yǎng)基中各組分比例,裝液量過小會(huì)導(dǎo)致GG799/Auman5Aloop/H321G產(chǎn)酶活力較低;在搖瓶發(fā)酵后期,隨著乳酸克魯維酵母菌體的增加,耗氧量加大,當(dāng)裝液量的過高時(shí)溶氧量降低,從而影響GG799/Auman5Aloop/H321G產(chǎn)酶活力。當(dāng)裝液量為60 mL/250 mL時(shí),GG799/Auman5Aloop/H321G產(chǎn)酶活力最高,故選取搖瓶裝液量為60 mL/250 mL。
圖2 誘導(dǎo)劑種類、搖瓶裝液量以及培養(yǎng)基初始pH對(duì)GG799/Auman5Aloop/H321G產(chǎn)酶的影響Fig.2 Effects of inducers、medium volume and initial pH on the expression of GG799/Auman5Aloop/H321G
2.3.3 培養(yǎng)基初始pH對(duì)GG799/Auman5Aloop/H321G產(chǎn)酶的影響培養(yǎng)基pH主要從酶的活性、細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)、某些組分的解離以及代謝過程等方面影響酵母的生長代謝和發(fā)酵產(chǎn)物合成[12]。由于搖瓶中培養(yǎng)基的pH不受控制,故只考慮培養(yǎng)基初始pH對(duì)重組乳酸克魯維酵母產(chǎn)酶活力的影響。由圖2(c)可知,GG799/Auman5Aloop/H321G對(duì)pH的耐受范圍較廣,在所選pH 5.0~7.5范圍內(nèi),產(chǎn)酶活力幾乎不受影響,與王輝等[13]報(bào)道相符。培養(yǎng)基的自然pH在7.0左右,故選擇發(fā)酵培養(yǎng)基初始pH為7.0。
2.3.4 誘導(dǎo)劑初始質(zhì)量濃度對(duì)GG799/Auman5Aloop/H321G產(chǎn)酶的影響作為重組乳酸克魯維酵母的碳源和重組蛋白質(zhì)表達(dá)的誘導(dǎo)劑,半乳糖的添加量對(duì)其生長代謝和產(chǎn)酶有重要影響。如圖3所示,半乳糖初始質(zhì)量濃度為20 mg/mL時(shí),GG799/Auman5Aloop/H321G產(chǎn)酶活力在48 h內(nèi)迅速增加,48 h后趨于平衡,最終產(chǎn)酶活力54.9 U/mL;半乳糖初始質(zhì)量濃度為40 mg/mL時(shí),產(chǎn)酶活力在72 h內(nèi)迅速增加,72 h后趨于平衡,最終產(chǎn)酶活力為70.2 U/mL,提高了27.8%;半乳糖初始質(zhì)量濃度為80 mg/mL時(shí),產(chǎn)酶活力在24 h內(nèi)迅速增加,最終產(chǎn)酶活力僅為38.4 U/mL。結(jié)果表明,在發(fā)酵初期,產(chǎn)酶活力隨著菌體的增長而迅速提高,發(fā)酵后期由于碳源等營養(yǎng)物質(zhì)的消耗,產(chǎn)酶速率減緩。誘導(dǎo)劑初始質(zhì)量濃度影響GG799/Auman5Aloop/H321G的產(chǎn)酶活力。
圖3 半乳糖初始質(zhì)量濃度對(duì)GG799/Auman5Aloop/H321G產(chǎn)酶的影響Fig.3 Effect of initial concentration of galactose on the expression of GG799/Auman5Aloop/H321G
2.3.5 誘導(dǎo)劑添加方式對(duì)GG799/Auman5Aloop/H321G菌體生長和產(chǎn)酶的影響為進(jìn)一步優(yōu)化重組乳酸克魯維酵母搖瓶發(fā)酵工藝,按1.7.5方法設(shè)計(jì)4種誘導(dǎo)劑添加方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖4(a,b)所示,在未補(bǔ)加半乳糖的發(fā)酵過程中,發(fā)酵液半乳糖質(zhì)量濃度在24 h內(nèi)分別從40 mg/mL和20 mg/mL迅速降低至2 mg/mL和1 mg/mL;其后,半乳糖維持在低質(zhì)量濃度水平,菌體濃度也趨于平衡,OD600最終為69.1(方式 A) >48.2(方式 B)。 如圖 4(c) 所示,當(dāng)每 48小時(shí)補(bǔ)加40 mg/mL半乳糖時(shí),重組乳酸克魯維酵母細(xì)胞在24 h內(nèi)迅速增殖,48 h補(bǔ)加半乳糖后細(xì)胞繼續(xù)增殖,96 h后 OD600達(dá) 99.6,GG799/Auman5Aloop/H321G產(chǎn)酶活力平穩(wěn)上升,96 h后達(dá)到了96.1 U/mL,比未補(bǔ)加半乳糖方案A的70.2 U/mL提高了36.9%。如圖4(d)所示,在每24小時(shí)補(bǔ)加20 mg/mL半乳糖時(shí),重組乳酸克魯維酵母菌體質(zhì)量濃度在96 h內(nèi)幾乎為線性增殖至OD600為91.5,與添加方式C相當(dāng),GG799/Auman5Aloop/H321G產(chǎn)酶活力在48 h后大幅度上升,96 h后高達(dá)194.7 U/mL,比未優(yōu)化前提高254.6%,表明誘導(dǎo)劑少量多次的補(bǔ)料方式,可有效調(diào)節(jié)半乳糖作為碳源和誘導(dǎo)劑的作用方式[14],從而調(diào)節(jié)重組乳酸克魯維酵母的生長代謝和外源蛋白質(zhì)的表達(dá),實(shí)現(xiàn)β-甘露聚糖酶reAuMan5Aloop/H321G在乳酸克魯維酵母的高效表達(dá)。
圖4 半乳糖添加方式對(duì)GG799/Auman5Aloop/H321G菌體生長和產(chǎn)酶的影響Fig.4 Effects of fed strategy of galactose on the growth and expression of GG799/Auman5Aloop/H321G
利用SDS-PAGE分析重組乳酸克魯維酵母的發(fā)酵上清液,GG799/Auman5Aloop/H321G的上清液在約55 000左右呈現(xiàn)一條特異性條帶,而GG799/pKLAC1無此蛋白質(zhì)條帶,進(jìn)一步說明β-甘露聚糖酶基因Auman5Aloop/H321G通過乳酸克魯維酵母分泌表達(dá)。另外,優(yōu)化后的GG799/Auman5Aloop/H321G的表達(dá)水平較之前有明顯提升,見圖5。
優(yōu)化搖瓶發(fā)酵工藝后,GG799/Auman5Aloop/H321G發(fā)酵液中β-甘露聚糖酶reAuMan5Aloop/H321G表達(dá)量為327.2 mg/L,為優(yōu)化前(87.4 mg/L)的 3.75倍,也高于表2中所報(bào)道重組乳酸克魯維酵母外源蛋白質(zhì)表達(dá)量。
圖5 重組β-甘露聚糖酶表達(dá)的SDS-PAGE分析Fig.5 SDS-PAGE analysis of recombinant β-mannanases
表2 重組乳酸克魯維酵母外源蛋白質(zhì)表達(dá)量Table 2 Heterologous protein production in the yeast Kluyveromyces lactis
將β-甘露聚糖酶突變體基因(Auman5Aloop/H321G)克隆至pKLAC1,并整合進(jìn)入乳酸克魯維酵母GG799,實(shí)現(xiàn)了其在乳酸克魯維酵母中的表達(dá)。構(gòu)建得到的重組菌株GG799/Auman5Aloop/H321G的產(chǎn)β-甘露聚糖酶reAuMan5Aloop/H321G活力為54.9 U/mL。以半乳糖為最優(yōu)碳源和誘導(dǎo)劑,裝液量為60 mL/250 mL,初始pH為7.0,初始半乳糖質(zhì)量濃度為20 mg/mL,每24小時(shí)補(bǔ)加半乳糖至20 mg/mL的條件下,GG799/Auman5Aloop/H321G產(chǎn)酶活力達(dá)到194.7 U/mL,較優(yōu)化前提高了254.6%,蛋白質(zhì)表達(dá)量為327.2 mg/L,為優(yōu)化前的3.75倍。本研究成功實(shí)現(xiàn)了Auman5Aloop/H321G在乳酸克魯維酵母GG799中的高效異源表達(dá),為制備食品、醫(yī)藥和飼料等加工領(lǐng)域的食品級(jí)β-甘露聚糖酶奠定了基礎(chǔ)。