哈氏噬纤维菌β-葡萄糖苷酶CHU-2273的性质研究

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在当今世界资源逐步枯竭及能源短缺的情况下,各国都致力于开发生物质能源,其中木质纤维素的开发利用越来越受到人们的重视。但是,纤维素自身结构致密,并存在结晶区,不容易被酶解,这就为纤维素的高效性生物降解研究带来了很大难题。因此,研究高效降解纤维素的微生物菌株具有重要的意义。哈氏噬纤维菌Cytophagahutchinsonii是一种自然界中广泛分布的纤维素降解细菌,能快速、彻底地降解结晶纤维素,但其既不分泌游离的纤维素酶,也不存在纤维小体结构,据此推测,哈氏噬纤维菌具有不同于其他纤维素降解菌的独特的纤维素降解机制。  β-葡萄糖苷酶,水解纤维二糖和短链的纤维寡糖生成葡萄糖,在纤维素的降解速率中起到关键性调控作用,可有效解除纤维二糖积累对内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶的活性的抑制作用,是纤维素彻底降解中的必需酶。深入研究β-葡萄糖苷酶,提高纤维素酶的降解效率,对于纤维素的降解利用及阐述哈氏噬纤维菌独特的纤维素降解机制都具有重要意义。  本文以研究哈氏噬纤维菌的β-葡萄糖苷酶基因为目标,通过复性电泳发现了哈氏菌外膜上的β-葡萄糖苷酶,随后围绕β-葡萄糖苷酶基因的鉴定、克隆、异源表达、分离纯化及其酶学性质等方面进行了一系列的探讨研究。主要包括以下内容:  1、实验室前期工作发现哈氏噬纤维菌的β-葡萄糖苷酶酶活绝大部分都存在于细胞表面,本文提取哈氏菌膜蛋白,对其进行NativePAGE,发现β-葡萄糖苷酶的活性显色只有一条带,质谱鉴定该酶为CHU_2273,对其进行分析,该基因长度为2463bp,编码820个氨基酸,分子量为89613,是属于糖苷水解酶第三家族的β-葡萄糖苷酶,序列分析预测含有3个二硫键,不存在跨膜结构域,且在氨基酸序列上具有嗜冷酶的特点。  2、将NativePAGE鉴定出的β-葡萄糖苷酶基因CHU_2273构建到原核表达载体pMALC2X中,并将其导入在大肠杆菌JM109中,诱导后成功获得了高效表达的重组β-葡萄糖苷酶,进行亲和纯化后得到了电泳纯的CHU_2273酶。  3、对纯化后的重组蛋白CHU_2273进行酶学性质研究。发现该酶的最适反应温度为20℃,最适pH为6.8,热稳定性较差,是在中温菌种发现的第一个嗜冷性β-葡萄糖苷酶。论文进一步研究了各种金属离子和化合物对CHU_2273酶活力的影响,发现Ni+、Co2+、Cu2+、K+和Mg2+对酶活有不同程度的抑制作用;Ca2+对酶活有促进作用;化合物中δ-葡萄糖酸内酯、SDS对CHU_2273具有强烈的抑制作用,甲醇、乙醇也有较强的抑制作用,巯基乙醇对酶活的影响不大,而EDTA对酶活性几乎没有影响。该酶能够水解β-1,4、β-1,6糖苷键,不能水解α-糖苷键,能降解纤维二糖、纤维三糖、纤维四糖和五糖,以及对硝基苯基葡萄糖(PNPG)和对硝基苯基寡糖,且具有转糖基作用。对底物PNPG的动力学常数Km=0.1528mM/L,Vmax=0.00543mM/(L*min),Kcat=0.2433min-1。
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