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在木质素降解过氧化物酶系中,多功能木质素降解过氧化物酶(VP)正引起人们极大的研究兴趣,主要原因:(ⅰ)VP具有不同的活性位点氧化不同的底物(Mn2+、木质素等);(ⅱ)能直接氧化一些LiP、MnP、CIP等不能直接氧化的化合物。
将密码子优化的杏鲍菇多功能过氧化物酶基因vpl2克隆到载体pET-32a(+)上,并在E coli BL21(DE3)中过表达。在IPTG诱导和血红素存在的条件下,带有N-His6-Trx-tag的VP被成功表达。纯化后的融合蛋白能氧化ABTS,Mn2+,VA,RB5等底物,但是酶活受到tag影响。本课题是第一次利用IPTG诱导方法在E.coli表达有活性的多功能木质素降解过氧化物酶。
多功能过氧化物酶属于血红素蛋白,这类蛋白利用H2O2作为电子受体来催化反应。但是底物H2O2极易通过一个自杀失活过程使过氧化物酶失活,因此需要通过蛋白工程的手段来提高酶的H2O2稳定性。
通过序列比对和晶体结构(PDB ID:2BOQ)分析,鉴别了可能影响VP H2O2稳定性的氨基酸,血红素附近易被氧化的氨基酸:Met152,Met247,Met262,Met265;H2O2结合区附近的氨基酸:Ala77,Ala79,Ile81;血红素结合袋附近的氨基酸:Arg43,Phe46,Pro141,Ser168,Phe186。利用定点突变方法成功构建了17个突变体,包括14个单位点突变体M152F、M247L、M262L、M265L、A77S、A79S、181L、A77E、P141A、R43L、S168A、F186A、A79L、F46G,1个双位点突变体M247L/M265L,2个三位点突变体A77E/181L/A79S和A77S/I81L/A79L。
对突变体进行动力学研究。一些突变体的活性大幅降低,如F46G(完全失活),F186A,R43L等,表明这些氨基酸对VP的活性非常重要;一些突变体对动力学参数的影响不大,如M262L,A77S等。有趣的是一些突变体提高了VP盼催化效率,如M265L,A77E,I81L,M247L/M265L,A77E/A79S/81L等,特别是S168A,对底物ABTS催化效率提高了8.6倍。Ser168的羟基和组成远程电子转移途径的Leu165的酰胺氧形成非常强的氢键(2.9 A)。S168A突变导致和Leu165之间的强氢键作用不再存在,影响了和血红素、Leu165之间的作用,因此影响了远程电子转移,甚至ABTS结合区和Mn2+结合区。
对突变体进行了H2O2稳定性研究。一些突变体对H2O2的稳定性没有太大影响,如A77S,A79L,M152F,M262L等;而一些突变体显著提高了H2O2稳定性,如M247L,M265L,S168A,M247L/M265L,A77E/A79S/181L等,表明易被氧化的氨基酸,血红素附近的氨基酸,参与远程电子传递过程的氨基酸,H2O2结合袋附近的氨基酸都对VP的H2O2稳定性有影响。
在17个突变体中,突变体M265L,S168A,以及A77E/A79S/181L特别有意义,因为它们的催化效率和H2O2都得到提高,尤其S168A。这些结果为进一步提高VP的H2O2稳定性奠定了基础。