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苏云金芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis)是目前应用最为广泛的一类杀虫细菌,也是一种具有较高应用潜力的细菌表面展示系统的宿主菌。本研究利用一种推断的苏云金芽胞杆菌自溶素蛋白mbG作为运载蛋白,成功构建了该菌营养生长期细胞的表面展示系统,进一步优化分析了运载蛋白mbG的展示性能,并用于展示几种具有不同功能和性质的外源蛋白,可为进一步发展苏云金芽胞杆菌多功能工程菌提供研究基础。
分析已测序的苏云金芽胞杆菌菌株的基因组序列,显示含有多种推断的细胞壁锚定相关蛋白,具有用作构建表面展示体系的运载蛋白的可能性。据此设计PCR扩增引物,从苏云金芽胞杆菌野生型菌株YBT-1520基因组中克隆到3个与细胞壁锚定相关蛋白的编码基因,分别命名为mbA、mbG和mbP。采用流式细胞技术对其编码蛋白的表面展示性能进行了比较,结果显示在自身启动子的控制下,mbG具有最大的表面展示效率,为47.5%。对其氨基酸结构分析表明,mbG并没有明显的分泌信号肽序列和跨膜信号序列,表现出一定的特异性。因此,本研究选取mbG作为研究的主要对象。
进一步的结构预测分析表明mbG为一种推断的内切-β-N乙酰葡萄糖胺酶,由两个结构域组成,即由两个串联重复的LysM单元组成的具有细胞壁锚定活性的N端结构域,和具有催化活性的C端结构域。采用绿色荧光蛋白(GFP)作为标签蛋白构建融合表达体系。Western blot分析、流式细胞仪分析、蛋白酶降解实验、SDS敏感性实验、免疫荧光显微镜观察和免疫电镜观察证实了mbG-GFP在表面的定位,同时表明该融合蛋白表达和展示效率较低。
克隆了不依赖芽胞的cry3Aα的启动子替换mbG本身启动子,提高了表达和表面展示能力。分别克隆了mbG的不同结构单元,N端结构域、C端结构域、LysM1和LysM2,考察它们的细胞壁结合能力。mbG的N端结构域为细胞壁结合的功能单元,LysM1是主要的锚定单元。进一步研究表明,2个N端重复的锚定单元具有最大的表面展示能力,而3个N端重复的锚定单元的表面展示能力下降,表明融合蛋白的大小是限制转运的关键因素。
从痢疾志贺氏菌(Shigella dysenteriae)W202中克隆了一个推断的漆酶基因wlac,并且在大肠杆菌(Escherichia coli)中实现了可溶性的大量融合表达。纯化的漆酶Wlac是一个与大肠杆菌CueO相似的漆酶,分子量为55 kDa,以ABTS为底物测定Wlac的最大酶活为24.4 U/mg(Km=0.086),最佳pH值为2.5。在0℃到25℃内稳定,大于40℃时活性迅速下降。Wlac能被200 mmol的EDTA完全抑制,32 mmol的SDS、50 mmol的NaN3和60 mmol的三氯乙酸部分抑制。加入Cu2+使得酶活增加,而其它的金属离子仅具有微弱或者负效应。通过用Phe106替换Glu106得到了突变的漆酶WlacS,删除一个从Leu 351到Gly 378的α-螺旋得到WlacD,活性分别是Wlac的2.2倍(52.9 U/mg)和3.5倍(85.1 U/mg),另外,WlacD还具有较高的热稳定性。同时还发现,与内含肽融合的漆酶能够大约维持纯酶活性的80%。
以具最有运载性能的2个mbG的N端重复结构单元为锚定模体(anchoring motif),将突变的漆酶’WlacD成功的表面展示到苏云金芽胞杆菌受体菌BMB171细胞表面。通过用纯化的漆酶制备抗血清,Western blot分析证实了WlacD的表面定位,全细胞酶活测定显示工程菌的酶活达到15.3 U/mL,该工程菌有望应用于污水处理等领域。
另外,采用逐步升温和加入低剂量的SDS的方法消除了苏云金芽胞杆菌YBT-1520的部分内生质粒,得到突变株YBT-1520e。YBT-1520e仍然具有产生伴胞晶体的能力,且转化效率增加,转化实验表明,外源质粒在YBT-1520e的稳定性为100%。