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木聚糖是半纤维素的主要成分,是地球上第二大可再生碳源。内切-1,4-β-木聚糖酶(EC3.2.1.8)可将木聚糖降解成低聚木糖和木糖等小分子物质,它在生物转化、食品、饲料、医药、造纸等行业中有着广泛的应用,具有广阔的开发前景。适冷木聚糖酶指最适酶活温度20-30℃之间的木聚糖酶,一般来源于两极和海冰等低温环境中的微生物,目前研究的较少。
本文从中国极地研究中心分离得到的147株北极海冰细菌和本实验室保存的海洋细菌中筛选得到两株产适冷木聚糖酶的菌株,分别为Pseudoalteromonas elyakovii Bsi20429和Glaciecola mesophila KMM241T,前者为中国极地研究中心分离的海冰细菌,后者购买自德国微生物保藏中心(DSMZ),保藏号为15026T。
经过硫酸铵沉淀和阳离子交换层析后,从菌株P.elyakovii Bsi20429发酵粗酶液中分离到了一个电泳纯的木聚糖酶,分子量约为45 kDa,其最适酶活温度为30℃,最适酶活pH为8,0。N-端序列测定结果显示该酶与来自Pseudoalteromonas haloplanktis TAH3a的木聚糖酶pXyl具有很高的同源性,利用后者的基因序列通过PCR技术得到了该酶的绝大部分基因序列(1201 bp),比对分析表明该酶与pXyl氨基酸序列具有97%相似性,属于第八家族木聚糖酶。
利用数据库中已有的来自菌株Pseudoalteromonas atlantica T6c的木聚糖酶基因序列,从G. mesophila KMM241基因组中通过PCR扩增得到了第十家族木聚糖酶基因xynA,序列比对分析表明基因xynA全长1272 bp,编码423个氨基酸,由一个催化结构域和一个N-端信号肽序列组成。XynA与菌株P.atlantica T6c的木聚糖酶氨基酸序列具有97%的相似性,在已报道过的木聚糖酶中,与之相似性最高的是来自Flavobacterium sp. MSY2的木聚糖酶Xynl0,相似性为46%。利用表达载体pET-22b(+),基因xynA在大肠杆菌BL21(DE3)中成功进行了表达,胞外和胞内酶活分别达到1.2 U/ml和0.7 U/ml,通过硫酸铵沉淀和镍柱亲和层析得到了电泳纯的重组木聚糖酶XynA的成熟酶,通过N-端测序确定了成熟酶由376个氨基酸组成,分子量约为42 kDa。
对重组酶XynA性质进行了详细研究,该酶最适酶活温度为30℃,最适酶活pH为7.0,热稳定性差,30℃时半衰期为20 min,变性温度Tm值为44.5℃。该酶对山毛榉木聚糖,桦木木聚糖和燕麦木聚糖的水解效率依次降低,不能水解纤维素,淀粉,几丁质,海藻多糖和甘露聚糖。动力学研究表明XynA在30℃时水解山毛榉木聚糖的Km值为1.40 mg/ml,Vmax为103.2μmol min-1mg-1,kcat为72 s-1,在40℃时的Km值、Vmax和Kcat分别为0.77 mg/ml,17.33μmol min-1 mg-1和12 s-1。Ca2+、EDTA、Li2+和K+对该酶酶活具有促进作用,Zn2+、Cu2+、Ni+、Sn2+、Co2+、Mn2+、Fe3+、和SDS对XynA酶活具有明显的抑制作用,并且在10mM时的抑制作用均大于1 mM。XynA对NaCl具有很高的耐受性,在NaCl浓度接近饱和时(4.0 M),仍保留有接近50%的最高酶活。酶解产物分析表明,该酶对山毛榉木聚糖酶解效率很高,只产生木二糖和木三糖,并且能够高效酶解四糖以上的木寡糖。这些性质表明XynA可能在木寡糖生产和面粉改性等行业中具有较好的应用潜力。