張文立,王鑫繡,徐煒,劉曉勇,沐萬孟*
(1.江南大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122;2.山東海之寶海洋科技有限公司,山東 威海 264333)
海洋的水體環(huán)境具有高鹽、高壓、低溫、寡營養(yǎng)的特點(diǎn),因此賦予了海洋生物更多特殊的生理功效,是人類膳食營養(yǎng)和生物醫(yī)藥的巨大資源寶庫。以海洋糖類為代表的海洋食品和生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)等新型產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,為我國海洋產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展注入了新的動(dòng)力。
褐藻有超過250個(gè)屬,約1 800余種,是我國十分重要的經(jīng)濟(jì)藻類[1]。褐藻膠是廣泛存在于各種褐藻中的一類多糖物質(zhì),由β-D-甘露糖醛酸(β-D-mannuronic acid,M)和 α-L-古羅糖醛酸(α-L-guluronic acid,G)通過1,4-糖苷鍵聚合而成的線性多糖[2],可以形成多聚甘露糖醛酸片段、多聚古羅糖醛酸片段和甘露糖醛酸-古羅糖醛酸混合片段。不同藻類來源的褐藻膠M與G的比值不同,其成膠性、離子結(jié)合能力、流動(dòng)性等理化性質(zhì)也各不相同[1]。褐藻膠水溶液黏度高,常被用作增稠劑、穩(wěn)定劑、賦形劑等應(yīng)用到食品行業(yè)中[3]。然而,褐藻膠分子量大,導(dǎo)致其水溶性差和生物利用度低,嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍。褐藻寡糖,是一種聚合度在2~25的分子,由褐藻膠分解而成[4],具有調(diào)節(jié)人體免疫、抗氧化、抗腫瘤、抑菌、保護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)、促進(jìn)植物生長等多種功能[5-6]。由于褐藻寡糖具有良好的水溶性、較強(qiáng)的穩(wěn)定性、高生物利用度和安全無毒等特點(diǎn),因此廣受國內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。
褐藻寡糖的生產(chǎn)主要包括化學(xué)分解法、物理分解法和生物酶法[7-9]?;瘜W(xué)物理方法主要包括酸水解法、H2O2法[10]、臭氧法[11]、輻照法等,但存在耗能大、副產(chǎn)物復(fù)雜等問題。與化學(xué)物理法生產(chǎn)的寡糖片段在兩個(gè)末端都具有未修飾的己糖醛酸殘基不同的是,酶法能生成含有不飽和雙鍵還原末端的寡糖,反應(yīng)副產(chǎn)物少、耗能低、產(chǎn)物生物活性高,具有很高的應(yīng)用價(jià)值。在褐藻寡糖的生物轉(zhuǎn)化中,褐藻膠裂解酶(alginate lyase,aly)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
褐藻膠裂解酶,是一種多糖裂解酶,通過β消除機(jī)制催化1,4-糖苷鍵發(fā)生水解,然后在斷裂后新生成的C4-羥基處發(fā)生C4與C5間的脫去反應(yīng),生成非還原性末端的C4-C5雙鍵[12]。該雙鍵與C5-羧羰基形成共軛結(jié)構(gòu),在紫外230 nm~240 nm處有特征性的強(qiáng)吸收。褐藻膠裂解酶有多種分類方式,以不同底物偏好性可分為聚甘露糖醛酸(polyM)特異性酶、聚古羅糖醛酸(polyG)特異性酶和雙功能酶[13];以反應(yīng)方式可分為內(nèi)切酶和外切酶[12];以分子量大小可分為小型(25 kDa~30 kDa)、中型(約 40 kDa)和大型裂解酶(>60 kDa)[14]。褐藻膠裂解酶用途廣泛,除去降解褐藻膠生產(chǎn)褐藻寡糖作為食品與農(nóng)業(yè)原料[15-18],在醫(yī)學(xué)上還可以被加入到抗菌藥物中協(xié)助對(duì)銅綠假單胞菌感染的治療[19-20]。
微泡菌屬鹽田微泡菌(Microbulbifer salipaludis,Misa)的全基因組序列已經(jīng)解析,并公布在NCBI數(shù)據(jù)庫(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)中,編號(hào)為NZ_JAEKJR-010000001。在M.salipaludis的全基因組序列中,存在一段編碼褐藻膠裂解酶的假定基因,GenBank登錄號(hào)為WP_207000102.1。本研究合成了M.salipaludis褐藻膠裂解酶假定基因片段,插入pET-22b(+)表達(dá)載體,并轉(zhuǎn)化至Escherichia coli BL21(DE3)進(jìn)行異源表達(dá)。隨后進(jìn)行蛋白分離純化和酶學(xué)性質(zhì)鑒定,證實(shí)重組酶屬于褐藻膠裂解酶(命名為Misa-aly)。本研究為褐藻寡糖的生物轉(zhuǎn)化提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
表達(dá)宿主 E.coliBL21(DE3)、克隆宿主 E.coliDH5α:生工生物工程(上海)股份有限公司;氨芐青霉素(ampicillin,Amp)、異丙基-β-d-硫代半乳糖苷(β-d-1-thiogalactopyranoside,IPTG)、聚氰基丙烯酸正丁酯(bicinchoninic acid,BCA)蛋白定量試劑盒、牛血清白蛋白標(biāo)準(zhǔn)品(bovine serum albumin,BSA)、瓊脂糖、4S Green Plus無毒核酸染料、海藻酸鈉:大連Takara公司;SDS-PAGE凝膠快速制備試劑盒(12.5%)、蛋白Loading Buffer(5×)、蛋白Marker:上海雅酶生物醫(yī)藥科技有限公司;DNA產(chǎn)物純化試劑盒、瓊脂糖凝膠DNA回收試劑盒、質(zhì)粒抽提試劑盒:天根生化科技(北京)有限公司;polyM、polyG:青島博智匯力生物科技有限公司。其他試劑均為國產(chǎn)分析純。
LB培養(yǎng)基:胰蛋白胨10 g/L,酵母提取物5 g/L,NaCl 10 g/L。
Centrifuge5804R型高速冷凍離心機(jī):德國Eppendorf公司;SCIENTZ-IID型超聲波細(xì)胞破碎儀:寧波新芝生物科技股份有限公司;CFX-96型實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀、蛋白電泳儀系統(tǒng):美國Bio-Rad公司;Tanon 2500型凝膠成像分析系統(tǒng):上海天能科技有限公司;Infinite F50型酶標(biāo)儀:瑞士Tecan公司;Quattro Premier XE三重四極桿液質(zhì)聯(lián)用儀:美國WATERS公司;Free-Zone 6 L立式冷凍干燥機(jī):美國LABCONCO公司。
1.3.1 Misa-aly重組質(zhì)粒構(gòu)建
合成編碼來源于Microbulbifer salipaludis的假定褐藻膠裂解酶的基因片段,利用SignalP 5.0在線網(wǎng)站預(yù)測(cè)信號(hào)肽位置并切除,同時(shí)將6個(gè)組氨酸標(biāo)簽添加到目的基因片段的C末端,以簡化后續(xù)重組酶的分離純化步驟。將目的基因片段插入表達(dá)載體pET-22b(+)的Nde I和Xho I酶切位點(diǎn)之間,構(gòu)建重組質(zhì)粒,命名為pET22b-Misa。利用熱激法將質(zhì)粒轉(zhuǎn)入大腸桿菌E.coli BL21(DE3),獲得轉(zhuǎn)化子。
1.3.2 誘導(dǎo)表達(dá)
挑取1.3.1中的轉(zhuǎn)化子單菌落接種于4 mL的LB培養(yǎng)基,37℃、200 r/min培養(yǎng)12 h;以2%接種量轉(zhuǎn)接至200 mL的LB培養(yǎng)基(Amp 100 μg/mL),37℃、200 r/min培養(yǎng)3 h~4 h。培養(yǎng)至OD600約0.6~0.8后,添加終濃度1 mmol/L的IPTG,在28℃、200 r/min下誘導(dǎo)表達(dá)6 h。
1.3.3 表達(dá)純化
將誘導(dǎo)表達(dá)后的菌液在25℃、6 000 r/min條件下離心5 min,收集菌體,超聲破碎后4℃、8 000 r/min離心10 min除去細(xì)胞碎片,用0.45 μm水系濾膜過濾上清液中的雜質(zhì),得到粗酶液,冰浴放置。
利用Ni2+親和層析柱收集上清液中的重組酶,隨后將上述得到的重組酶溶液轉(zhuǎn)移至截留分子量為10 kDa的透析袋中,用10 mmol/L乙二胺四乙酸二鈉(ethylene diamine tetraacetic acid,EDTA-2Na) 的 Tris-HCl緩沖液(50 mmol/L,pH8.0)在 4℃下透析 6 h,以除去重組酶溶液中的咪唑以及其他金屬離子。再將透析袋轉(zhuǎn)移至50 mmol/L Tris-HCl pH8.0緩沖液中透析12 h,每6 h更換一次透析液,以去除EDTA。透析結(jié)束后,于4℃冰箱保存?zhèn)溆?。純化后的酶液進(jìn)行十二烷基硫酸鈉聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE)純度驗(yàn)證。
1.3.4 酶活力和蛋白含量測(cè)定
蛋白含量的測(cè)定使用BCA試劑盒,以牛血清蛋白(BSA)作為標(biāo)準(zhǔn)蛋白,在560 nm下定量測(cè)定樣品蛋白濃度。
采用 3,5-二硝基水楊酸(3,5-dinitrosalicylic acid,DNS)法測(cè)定酶活力:取適當(dāng)稀釋的反應(yīng)液加入兩倍體積DNS試劑,沸水浴5 min,迅速冷卻至室溫約25℃,加入3倍體積水稀釋后,560 nm波長下測(cè)定吸光度。以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算反應(yīng)生成還原糖的量。酶活力單位(U)定義為每分鐘生成1 μmol還原糖所需要的酶量。
1.3.5 酶學(xué)性質(zhì)測(cè)定
1)酶反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)體系:終濃度0.35%的海藻酸鈉,100 mmol/L 的 NaCl,5 μg/mL 的重組酶,50 mmol/L 的Tris-HCl緩沖液(pH 8.5)。
2)酶反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)條件:在45℃的恒溫水浴中進(jìn)行酶反應(yīng),準(zhǔn)確計(jì)時(shí)5 min后立即將反應(yīng)體系加入2倍體積的DNS顯色液,結(jié)束酶反應(yīng)。
1.3.5.1 最適pH值的測(cè)定
選用50 mmol/L不同pH值的緩沖液(磷酸鈉緩沖液,pH 6.0~7.5;Tris-HCl緩沖液,pH 7.5~9.0;甘氨酸-NaOH緩沖液,pH 9.0~10.5),按照DNS法測(cè)定不同pH值下的褐藻膠裂解酶酶活力,以最大酶活力為100%,分別計(jì)算各pH值條件下的相對(duì)酶活。
1.3.5.2 最適反應(yīng)溫度的測(cè)定
在 Tris-HCl緩沖液(50 mmol/L,pH 8.5)條件下,采用DNS法測(cè)定不同溫度下(35℃~60℃)褐藻膠裂解酶活力,以最大酶活力為100%,分別計(jì)算各溫度處理?xiàng)l件下的相對(duì)酶活。
1.3.5.3 最適NaCl濃度的測(cè)定
在Tris-HCl緩沖液(50 mmol/L,pH8.5),45℃反應(yīng)體系下,分別添加終濃度為0、25、50、100、200、400mmol/L的NaCl,采用DNS法測(cè)定不同NaCl濃度的酶活力,以最高酶活力為100%,計(jì)算各濃度的相對(duì)酶活。
1.3.5.4 熱穩(wěn)定性的測(cè)定
對(duì)酶液適當(dāng)稀釋至一定濃度并加入100 mmol/L的NaCl后,在40、45℃和55℃下分別保溫1 h,間隔定時(shí)取樣,在最適溫度下采用DNS法測(cè)定殘余酶活,以未處理的酶液為對(duì)照(100%),分別計(jì)算各溫度處理后的相對(duì)殘余酶活。
1.3.6 底物特異性及產(chǎn)物組成
將海藻酸鈉、polyM、polyG分別作為底物測(cè)定酶活力,底物質(zhì)量濃度均為0.35%。最適反應(yīng)條件下,采用DNS法測(cè)定酶活力,將海藻酸鈉組酶活力設(shè)為100%,測(cè)定不同底物時(shí)的比酶活。
9月14日,遼寧省政府發(fā)布《遼寧省集中式飲用水水源地保護(hù)攻堅(jiān)戰(zhàn)實(shí)施方案》,要求自10月起,遼寧省地級(jí)及以上城市集中式飲用水水源水質(zhì)至少每月向社會(huì)公開1次;縣級(jí)集中式飲用水水源水質(zhì)應(yīng)至少每季度向社會(huì)公開一次。到2020年,全省地級(jí)及以上城市集中式飲用水水源地得到全面有效保護(hù)。地級(jí)及以上城市集中式飲用水水源水質(zhì)優(yōu)良比例達(dá)到96.3%。強(qiáng)力推進(jìn)縣級(jí)及以上城市集中式飲用水水源地規(guī)范化建設(shè),基本解決縣級(jí)及以上城市集中式飲用水水源保護(hù)區(qū)內(nèi)各類環(huán)境違法問題。加強(qiáng)農(nóng)村飲用水水源地保護(hù),完成鄉(xiāng)級(jí)集中式飲用水水源保護(hù)區(qū)的劃定。
在 Tris-HCl緩沖液(50 mmol/L,pH 8.5),40 ℃標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)體系下,以終濃度1%的海藻酸鈉作為底物,加過量酶充分反應(yīng)24 h。加入4倍體積無水乙醇混合沉淀除去殘余多糖與蛋白,8 000 r/min離心10 min,取上清液旋蒸濃縮去除乙醇,冷凍干燥后復(fù)溶至濃度為0.1 mg/mL,通過液相-質(zhì)譜(liquid chromatograph mass spectrometer,LC-MS)檢測(cè)產(chǎn)物組成。
向1%海藻酸鈉標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)體系中加入5 μg/mL酶,40℃分別反應(yīng)12 h和24 h,煮沸滅酶后通過0.22 μm過膜后凍干,以凍干產(chǎn)物質(zhì)量與底物總質(zhì)量之比計(jì)算轉(zhuǎn)化率。
液相色譜條件:色譜儀WATERS ACQUITY UPLC;BEH C18分析柱(2.1 mm×150 mm,1.7 μm)。流動(dòng)相:A乙腈,B 0.1%甲酸;梯度洗脫程序:0~40 min,0%流動(dòng)相A,100%流動(dòng)相B;40 min~45 min,流動(dòng)相A從 0%變到30%,流動(dòng)相B從100%變到70%;45 min~50 min,流動(dòng)相A從30%變到80%,流動(dòng)相B從70%變到20%;50 min~55 min,流動(dòng)相A從80%變到100%,流動(dòng)相B從 20%變到 0%;柱溫:45℃;流速:0.3 mL/min;進(jìn)樣量:5 μL。
MS檢測(cè)條件:離子方式為電噴霧離子源(electron spray ionization,ESI)負(fù)模式 ;毛細(xì)管電壓 3.0 kV;錐孔電壓20 V;離子源溫度100℃;去溶劑化溫度400℃;脫溶劑氣流量700 L/h;錐孔氣流量50 L/h;碰撞能量6 eV;質(zhì)量范圍 m/z 50~2 000;電壓 1 800 V。
蛋白電泳圖使用Adobe Photoshop 2021軟件處理;序列對(duì)比使用CLUSTAL OMEGA與ESPript 3.0在線網(wǎng)站作圖;相關(guān)酶活力數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel計(jì)算,使用Originlab Origin 2021作圖。
M.salipaludis的基因片段JF535_RS01340經(jīng)預(yù)測(cè),可能編碼褐藻膠裂解酶(WP_207000102.1),命名為Misa-aly。與已報(bào)道的一種屬于PL7家族來源于Microbulbifer sp.的裂解酶(AlgSH7,登錄號(hào) QID05195.1)[21]比對(duì),蛋白序列相似度為73.90%。圖1為Misa-aly與其他幾個(gè)PL7家族褐藻膠裂解酶的序列比對(duì)圖。
圖1 褐藻膠裂解酶的氨基酸序列比對(duì)分析Fig.1 Multiple sequence alignment of amino acids from aly
PL7家族具有高度保守的區(qū)域SA3(RXEXR)、SA4(YXKAGXYXQ)、SA5(QXH),這些區(qū)域同樣可以在Misa-aly序列內(nèi)找到。序列比對(duì)分析結(jié)合酶學(xué)性質(zhì)鑒定,可以證實(shí)該酶屬于PL7家族中一種新的褐藻膠裂解酶。
Misa-aly全細(xì)胞與純酶電泳圖見圖2。
圖2 Misa-aly全細(xì)胞與純酶電泳圖Fig.2 SDS-PAGE analysis of of the whole cells and purified Misa-aly
pH值和溫度對(duì)Misa-aly酶活的影響見圖3。
圖3 pH值和溫度對(duì)Misa-aly酶活的影響Fig.3 Effects of pH and temperature on Misa-aly activity
溫度和pH值是影響酶活力的重要條件之一。如圖3所示,Misa-aly的最適pH值為8.5(Tris-HCl緩沖液),與來自Microbulbifer sp.的褐藻膠裂解酶AlgSH7相似(最適pH 9.0,最適溫度40℃)[21]。絕大多數(shù)褐藻膠裂解酶的最適pH值為中性或弱堿性,只有少數(shù)為酸性。Misa-aly在弱堿性范圍內(nèi)相對(duì)酶活較高,pH8.0~9.0范圍內(nèi)相對(duì)酶活維持在80%以上。由于PL7家族褐藻膠裂解酶的產(chǎn)酶微生物大多來源于海洋,因此最適溫度通常為30℃~50℃。類似的,Misa-aly最適溫度為45℃,且對(duì)溫度較為敏感。40℃和50℃時(shí)的相對(duì)酶活力下降為61.0%和65.3%。通常而言,海藻酸鈉在堿性環(huán)境下溶解度增大、黏度下降,有利于生產(chǎn);利用酶的冷適應(yīng)特性與敏感性,可以更精準(zhǔn)地控制啟動(dòng)和終止催化反應(yīng),有利于寡糖的精確生產(chǎn)調(diào)控[21]。
NaCl濃度對(duì)Misa-aly酶活的影響見圖4。
圖4 NaCl濃度對(duì)Misa-aly酶活的影響Fig.4 Effects of NaCl on Misa-aly activity
大多數(shù)褐藻膠裂解酶產(chǎn)酶微生物來自于海洋,因此Na+對(duì)褐藻膠裂解酶的催化活性具有一定的影響。如圖4所示,Misa-aly的最適NaCl濃度為100 mmol/L,在400 mmol/L的高鹽條件時(shí)相對(duì)酶活維持60%以上,而不額外添加Na+時(shí)相對(duì)酶活也超過50%。NaCl濃度在25 mmol/L~200 mmol/L,酶活都能在75%以上。褐藻膠作為一種海洋多糖,大多數(shù)研究表明褐藻膠裂解酶具有一定的Na+依賴性,如來自Vibrio splendidus OU02[22]、Microbulbifer thermotoleransDAU221[23]的褐藻膠裂解酶,不額外添加Na+時(shí)酶活力急劇下降。Misa-aly在不添加Na+時(shí)的較高活性,證明其對(duì)Na+的依賴性不強(qiáng),這樣可以降低添加NaCl的原料成本,減少后續(xù)脫鹽環(huán)節(jié),降低機(jī)械設(shè)備損耗。
在40、45℃和55℃下分別保溫處理酶液,測(cè)定Misa-aly的熱穩(wěn)定性,結(jié)果見圖5。
圖5 不同溫度保溫對(duì)Misa-aly穩(wěn)定性影響Fig.5 Effect of temperature on the stability of Misa-aly
如圖5所示,Misa-aly在40℃以下時(shí)較為穩(wěn)定,40℃保溫1.0 h,殘余酶活保留50%以上;在45℃下保溫0.5 h,殘余酶活下降到35%以下。褐藻膠裂解酶家族中一大部分裂解酶來源于海洋細(xì)菌,通常在40℃以上溫度穩(wěn)定性較差[22-25],具有典型的冷適應(yīng)性,易于在狹窄的溫度范圍內(nèi)控制反應(yīng)進(jìn)程,方便獲得需要的聚合度范圍的低聚糖。
最適反應(yīng)條件下,分別以海藻酸鈉、polyM、polyG作為底物測(cè)定酶的催化活力,結(jié)果見圖6。
圖6 Misa-aly對(duì)不同底物的相對(duì)酶活力Fig.6 Substrate specificity of Misa-aly
由圖6可知,當(dāng)以海藻酸鈉為底物時(shí),酶活力為(53.0±1.2)U/mg;以polyG和polyM為底物時(shí)的相對(duì)活力分別為海藻酸鈉的89.8%和273.8%,酶活力分別為(47.6±1.5)、(145.1±2.1)U/mg。與其他已研究的 PL7家族的褐藻膠裂解酶相似,Misa-aly也屬于polyM偏好酶。
充分裂解底物海藻酸鈉后,通過LC-MS對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行褐藻寡糖組分分析,結(jié)果見圖7。
如圖7所示,海藻酸鈉經(jīng)Misa-aly酶解后,產(chǎn)物分別主要集中分布在3個(gè)峰內(nèi)(圖7a),3個(gè)峰的主要產(chǎn)物分別對(duì)應(yīng)質(zhì)荷比 351(圖 7b)、527(圖 7c)和 703(圖7d),即聚合度分別為DP2、DP3、DP4的褐藻寡糖,說明反應(yīng)最終裂解產(chǎn)物可以產(chǎn)生聚合度DP2~4的寡糖。1%(10 mg/mL)海藻酸鈉溶液在40℃下裂解反應(yīng)12 h后,還原糖濃度達(dá)到0.56 mg/mL(DNS法計(jì)),凍干計(jì)算轉(zhuǎn)化率為69.2%,24 h后凍干計(jì)算轉(zhuǎn)化率可達(dá)到94.7%。相比之下,rFlAlyA-aly酶解4h,轉(zhuǎn)化率為70.1%,效率較高[26];但Misa-aly酶解24 h后,底物海藻酸鈉幾乎全部酶解,酶解更為徹底。
圖7 裂解產(chǎn)物總離子流圖與二糖、三糖、四糖對(duì)應(yīng)質(zhì)譜圖像Fig.7 The mass spectrum images of pyrolysis products,disaccharide,trisaccharide and tetrasaccharide
本試驗(yàn)篩選出一種來源于Microbulbifer salipaludis的新型褐藻膠裂解酶,合成了Misa-aly編碼基因,并實(shí)現(xiàn)了在大腸桿菌E.coli BL21(DE3)中的異源表達(dá)。經(jīng)分離純化后,研究了Misa-aly酶學(xué)性質(zhì)。以海藻酸鈉為底物,通過 DNS法測(cè)定酶活力為(53.0±1.2)U/mg,最適pH值為8.5(Tris-HCl緩沖液),最適溫度為45℃,40℃下半衰期約在1 h左右。Misa-aly對(duì)Na+依賴性較低,可以降低生產(chǎn)原料成本,減輕后續(xù)脫鹽工序環(huán)節(jié)的壓力,并降低機(jī)械設(shè)備損耗。Misa-aly屬于PL7家族多糖裂解酶,且底物偏好性為聚甘露糖醛酸(polyM)。在Misa-aly催化作用下,海藻酸鈉的裂解產(chǎn)物為DP2-4的寡糖,24 h后酶解轉(zhuǎn)化率達(dá)到94.7%,底物海藻酸鈉幾乎全部酶解,轉(zhuǎn)化率較高。因此,Misa-aly在褐藻寡糖的生物制備中具有一定的應(yīng)用前景。