弱酸特性D-来苏糖异构酶分子改造及D-甘露糖生产

本文旨在对来源于Thermoprotei archaeon菌株的D-LI（最适pH6.5）进行弱酸特性改造,以期该酶在pH5.5条件下生产D-甘露糖,从而抑制原有的美拉德反应,减少分离成本。基于蛋白序列比对及酸碱氨基酸置换策略,首先设计了8个单点突变,而后从中选择3个优良单点突变体E82K、P105K、E165K进一步进行两两组合双点突变。结果表明双点突变体E82K/P105K较野生酶的最适pH由6.5迁移至6.0,且在pH5.5条件下的酶活是原始酶的3.4倍。该突变体在以D-果糖和D-甘露糖为底物时的动力学参数K_m值分别为78.77 mmol/L和328.12 mmol/L,k_cat/K_m值分别为15.37 mmol/L?1·min?1和48.92 mmol/L?1·min?1。以80 g/L的D-果糖为底物反应10 h后,双点突变体E82K/P105K在pH5.5反应时的转化率较接近于原始酶在pH6.5时的转化率,美拉德反应程度较原始酶降低了约3~4倍,为工业上利用D-LI生产D-甘露糖提供了可行的酶制剂。     

黑曲霉β-甘露聚糖酶ManA耐热突变体的筛选

为了改造黑曲霉（Aspergillus niger）来源的β-甘露聚糖酶ManA,获得耐热性高的突变体。利用易错聚合酶链式反应（PCR）技术对构建的表达质粒pGAPZαA-manA进行随机突变,将突变文库转化至毕赤酵母（Pichia pastoris）GS115,表达筛选耐热性高的突变体,并进一步对突变位点进行定点突变,筛选其他耐热性高的突变体。结果表明,ManA的H283R与H283K突变体相对于野生型在耐热性方面有显著提升,75 ℃加热30 min其相对酶活由26.66%分别提升至76.95%和83.57%;在pH 3.0～9.0的条件下,50 ℃保存24 h,H283K突变体与野生型的相对酶活均在90%以上,H283R突变体在pH 3.0时的相对酶活下降到了84.72%,两个突变体的最适温度、pH及比酶活与野生型没有明显差异。说明β-甘露聚糖酶ManA的283位组氨酸（H283）对其耐热性较为关键,将该位点突变为精氨酸（R）和赖氨酸（K）时,ManA的耐热性得到显著提升。     

定点突变技术提高内切葡聚糖酶基因F-10酶活性

利用高酶活F-10突变株内切葡聚糖酶基因进行定点突变,对91位(K91E)和369位(K369R)氨基酸进行突变,构建突变质粒(K91E);(K369R)和(K91E/K369R),转化大肠杆菌BL21,经筛选获得突变内切葡聚糖酶基因工程菌株K91E,K369R和K91E/K369R。经IPTG诱导后,分离纯化酶学性质分析。结果表明:蛋白质相对分子质量为53 000;突变前后最适pH值未发生变化,为pH 6.8;突变体K369R和K91E/K369R的最适温度为50℃,而突变体K91E最适温度发生了很大的变化,为40℃;酶的比活力分别为202、162.8、77.9 U/mg,分别是原始酶(66U/mg)的3.0倍,2.4倍和1.2倍;三个突变酶的热稳定性有较大提高,70℃处理1 h后,原始酶的活性急剧下降,剩余活力为12%,而K91E的剩余活力为36%,K369R剩余活力为30%,K91E/K369R剩余活力为41%。当经80℃处理1 h后,K91E残余活力仍有22%。本研究获得了酶活性提高的内切葡聚糖酶菌株,为进一步在分子水平研究内切葡聚糖酶的功能及应用打下了基础,也为高酶活酶分子在其他高表达系统的表达提供了基础材料。     

饱和突变提高肌酸酶热稳定性

为提高肌酸酶(Creatinase,EC 3.5.3.3,CRE)的热稳定性,通过序列比对的方法确定了Arthrobacter nicotianae 23710 CRE热稳定性相关位点K195,并对其进行饱和突变。与野生酶相比,突变体K195V、K195T、K195C和K195L在50℃下的半衰期分别提高260%、 230%、60%和20%;其中,K195V和K195C比酶活分别提高80.7%和88.2%,其他突变体比酶活无明显变化;突变体K195V、K195T、K195C和K195L的催化效率(k_(cat)/K_m)分别提高131%、 218%、 83%和100%。结构分析发现,突变体K195V、 K195T、 K195L较野生酶分别增加了7、12和13个氢键。结果表明:对Lys195的突变可有效改变CRE的热稳定性及催化效率,且分子内部氢键的增加可能是CRE热稳定性提高的重要原因之一。     

基于理性设计提高假交替单胞菌κ-卡拉胶酶热稳定性

对假交替单胞菌JMUZ2的κ-卡拉胶酶进行理性设计,以获得热稳定性提高的突变酶。用PoPMuSiC在线分析工具对假交替单胞菌κ-卡拉胶酶进行分析,筛选了10 个单点突变体。利用定点突变获得突变酶基因,并对突变酶进行诱导表达、纯化及性质鉴定,筛选出酶比活力不降低且热稳定性提高的突变体K155A。热稳定性分析表明,在50、55 ℃和60 ℃分别处理40 min,突变酶残余酶活力分别是野生型酶的1.8、2.7 倍和4.5 倍。酶的结构及分子动力学模拟分析表明,酶分子疏水相互作用和结构刚性的增强是K155A突变体热稳定性提高的可能原因。通过理性设计获得假交替单胞菌κ-卡拉胶酶热稳定性提高的突变体K155A,对改善酶的性质、扩大κ-卡拉胶酶的应用范围以及κ-卡拉胶酶结构与功能关系研究具有重要意义。     

北京棒杆菌天冬氨酸激酶G377定点突变及酶学性质表征

采用饱和定点突变和高通量筛选技术,对北京棒杆菌天冬氨酸激酶（aspartate kinase,AK）AK Gly377位点进行突变,并筛选获得高活力突变体G377F,分离纯化后对G377F AK酶学性质进行表征。结果表明：突变体AK最适pH值为9.0,较突变前野生型（wide type,WT）最适pH值为8.5有所提高;最适反应温度与WT一致,均为25 ℃;半衰期由WT的2.6 h提高到5.3 h;pH耐受性在5 h内保持其活力50%以上,与WT 3 h内酶活力保持能力相同。G377F对金属离子和有机溶剂均表现出良好的抗性。其中,Lys的抑制作用在一定程度上被解除,当Lys和Met同时存在时对AK具有明显的激活作用。动力学研究显示：G377F AK Vmax较WT提高9.3 倍;n值为1.0明显低于WT的2.7,说明AK正协同性降低,趋向于米氏酶。     

基因突变提高毕赤酵母表达内切β-1,3-葡聚糖酶活性

为构建一株高效表达内切β-1,3-葡聚糖酶的毕赤酵母菌株,并用于水解热凝胶生产β-1,3-葡寡糖。作者首先对哈茨木霉来源内切β-1,3-葡聚糖酶基因进行随机突变,并构建BGN13.1a突变库;然后采用高通量技术及刚果红平板筛选高表达菌株;最后采用TLC薄层色谱和MALDI-TOF MS分析热凝胶水解产物,并分析了酶学性质。结果表明,本研究成功筛选得到毕赤酵母突变株K827,酶活较初始菌株提高了25%;其水解产物聚合度为2～10,且寡糖产量为1.492 g/L;其最适pH与最适温度分别为5.5和50℃;相较亲本酶,突变株K827的pH稳定性与温度稳定性都有明显提高。本研究为内切β-1,3-葡聚糖酶的工业化生产及应用提供依据。     

西索米星生产菌株的诱变选育及工艺优化

利用原生质体常压室温等离子体（ARTP）诱变方法选育西索米星高产菌株,经诱变筛选获得一株高产菌株I4-10,其西索米星的生物效价达到1 389 U/mL,较原始菌株提高了35.4%。通过对高产菌株I4-10进行碳源、氮源优化,确定可溶性淀粉和牛肉粉是突变菌株I4-10的最适碳源和氮源。进一步采用响应面实验设计方法优化发酵培养基,结果表明黄豆饼粉和DL-蛋氨酸的添加量为显著影响因素,经优化其最适添加质量浓度分别为32.78 g/L和1.75 g/L。在此最适工艺下,西索米星的生物效价提高至1 849 U/mL,较原始菌株提高了80%。最后对原始菌及高产突变株中西索米星代谢途径及菌株生长相关的关键酶进行转录水平比较分析,初步解析了突变菌株I4-10高产西索米星的机制。     

黑曲霉突变菌株产糖化酶的酶学特性表征

以电子束诱变黑曲霉突变菌株为对象,通过最适pH试验、最适作用温度试验、热稳定性试验、酸碱稳定性试验和金属离子对糖化酶活力影响的试验,探明黑曲霉电子束突变菌株产糖化酶的酶学特性。结果表明:突变菌株产糖化酶酶最适作用温度为63℃,且最高酶活较原始菌株提高26%,在80℃原始菌株所产糖化酶失活时,仍有8.4 kU/mL酶活剩余,突变菌株所产的糖化酶的热稳定性明显提高。突变菌株所产糖化酶最适pH为4.6,且最高酶活较原始菌株提高24%,在原始菌株所产糖化酶失活时仍有6.9 kU/mL酶活剩余,突变菌株糖化酶的pH稳定性有着明显提高。K+、Mg2+、Ca2+可在一定程度上增强其活力;Ag+、Fe2+、Cu2+则在不同程度上抑制糖化酶活力;Zn2+、EDTA对其酶活力影响较小或无明显现象。     

基于定向进化技术提高地衣芽孢杆菌L-天冬酰胺酶活性

为提高地衣芽孢杆菌L-天冬酰胺酶活性,通过定向进化技术对其进行分子改造。经过两轮易错聚合酶链式反应和一轮DNA shuffling,从19 100多个突变株中筛选到突变体S10、S16和S21,其酶比活力较野生型分别提高了106%、74%和43%,且突变酶K_(cat)/K_m都有所增大。其中,突变体S10氨基酸序列发生3个突变,K43E、N67S和I269L。三维模拟结果显示,第43位氨基酸突变为谷氨酸、第67位氨基酸突变为丝氨酸,可能提高了底物亲和力和催化效率,从而提高酶活性。圆二色谱分析表明,相比野生酶,突变酶的α-螺旋数减少、无规则卷曲有所增加,表明其刚性略有降低,柔性有所增加。利用定向进化策略能够有效地提高地衣芽孢杆菌L-天冬酰胺酶活性。