張 玉,周冉冉,李可心,黃 宇,陳茂彬*
(1.湖北工業(yè)大學(xué) 生物工程與食品學(xué)院 發(fā)酵工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430068;2.工業(yè)發(fā)酵湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430068;3.工業(yè)微生物湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430068)
酯酶(EC 3.1.1.1)是能催化芳香酯、脂肪酸酯等水解的酶的統(tǒng)稱[1],在化學(xué)合成、食品調(diào)味品和醫(yī)藥工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2-4]。源于真菌的酯酶可以催化水解作用的逆反應(yīng),即合成反應(yīng),如在非水性環(huán)境中的酯化作用和酯交換等反應(yīng)[5]。酯酶在有機(jī)溶液中的催化合成反應(yīng)具有增加疏水性底物的溶解度[6]、朝向合成的熱力學(xué)平衡轉(zhuǎn)移[7]和底物特異性改進(jìn)[8]等優(yōu)點(diǎn)。
酯酶可以從微生物,特別是細(xì)菌和真菌中高量生產(chǎn)[9]。根據(jù)生物學(xué)特性和保守區(qū)序列,細(xì)菌中的酯酶被劃分為8個(gè)家族[10],且近些年來(lái)不斷報(bào)道出新的家族成員[11-14]。然而,只有一部分酯酶進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和功能的鑒定[15-17]。從真菌中也分離和純化出一些酯酶,前期報(bào)道,在中國(guó)傳統(tǒng)發(fā)酵紅米中發(fā)現(xiàn)了116個(gè)紫色紅曲霉(M.purpureus)M7的候選酯酶基因,在這些酯酶基因中,只有酯酶Lip10和Lip2屬于新的酯酶家族成員[14,18]。
雖然一些酯酶已經(jīng)被分離、鑒定,但是尋找具有更高的熱穩(wěn)定性和更寬的底物選擇性的新型酯酶仍迫在眉睫[19]。酯酶在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中需要反復(fù)使用,因此,需要相當(dāng)好的穩(wěn)定性,且真菌產(chǎn)生的酯酶通常是胞外酶,很容易通過(guò)純化獲得[20]。因此,本研究以白酒高溫大曲中篩選出的一株耐高溫酯酶產(chǎn)生菌株HQ為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行了分子生物學(xué)鑒定,并對(duì)其所產(chǎn)的酯酶進(jìn)行分離純化、分子特性分析和酶學(xué)特征研究,為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
1.1.1 菌株
菌株HQ:分離自白酒高溫大曲,-4℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.1.2 試劑
胰蛋白酶(250 U/mg):北京華邁科生物技術(shù)有限責(zé)任公司;PTH-氨基酸標(biāo)品(純度>98.0%):日本Shimadzu Corporation公司;其他試劑購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,均為分析純。
1.1.3 培養(yǎng)基
種子培養(yǎng)基:葡萄糖1%,酵母膏0.5%,NaNO30.3%,MgSO4·7H2O 0.2%,KH2PO40.2%。115℃滅菌30 min。
液體發(fā)酵培養(yǎng)基:蛋白胨1%,可溶性淀粉1%,K2HPO40.1%,MgSO40.05%,F(xiàn)eSO40.001%,KCl 0.05%,MnSO40.03%。用乳酸調(diào)pH值為6.0,115℃滅菌30 min。
ZHWY-2112B恒溫培養(yǎng)振蕩器、ZHJH-1214B超凈工作臺(tái):上海智城分析儀器制造公司;Tanon-1600凝膠成像系統(tǒng):上海天能公司;ultrafleXtreme基質(zhì)輔助激光解吸電離-飛行時(shí)間-質(zhì)譜(matrix-assisted laser desorption ionizationtimeofflight-massspectroscopy,MALDI-TOF-MS)、ultimate 3000色譜儀:美國(guó)布魯克·道爾頓公司;PPSQ-31A蛋白測(cè)序儀:日本島津公司;AKTA prime plus柱層析系統(tǒng):美國(guó)GE Healthcare公司;丁基瓊脂糖柱26/60 Superdex G-200柱:美國(guó)Amersham公司。
1.3.1 菌株的分子生物學(xué)鑒定
按照SAMBROOK J等[21]的方法提取菌株HQ的脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA),根據(jù)18S rDNA的D2序列設(shè)計(jì)一對(duì)通用引物(ITS1:5′-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3′和ITS4:5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′)。采用引物對(duì)ITS1/ITS4進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)擴(kuò)增,PCR擴(kuò)增體系:無(wú)菌水 17.8 μL,Buffer:3 μL,脫氧核糖核苷三磷酸(deoxy-ribonucleoside triphosphated,NTP)2 μL,ITS1 3 μL,ITS4 3 μL,DNA模板1 μL,Taq酶 0.2 μL;PCR擴(kuò)增條件:95 ℃預(yù)變性5 min;95 ℃變性0.5 min,55℃退火0.5 min,72℃延伸1 min,35個(gè)循環(huán);72℃延伸10min。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物采用1%瓊脂糖凝膠進(jìn)行驗(yàn)證,PCR擴(kuò)增產(chǎn)物送至華大基因公司測(cè)序,測(cè)序結(jié)果在美國(guó)國(guó)立生物技術(shù)信息中心(National Center for Biotechnology Information,NCBI)上進(jìn)行Blast比對(duì)搜索,獲得同源性較高菌株序列,采用MEGA軟件中的鄰接法(neighbor-joining,NJ)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),確定菌株的親緣關(guān)系。
1.3.2 粗酶液的制備
種子液的制備:挑取斜面上的紫色紅曲霉HQ接種于種子培養(yǎng)基,于30℃、180 r/min條件下培養(yǎng)4 d后過(guò)濾,制成種子液備用。
液體發(fā)酵:按10%(V/V)的接種量將種子液接種于含50 mL發(fā)酵培養(yǎng)基的250 mL三角瓶中。先靜置12 h,然后在30℃、180 r/min的條件下培養(yǎng)。接種后每隔12 h取一批樣,每批取3次,用4層紗布過(guò)濾,菌絲用無(wú)菌水沖洗幾次,直至表面色素清洗干凈,烘干稱質(zhì)量。同時(shí)測(cè)定發(fā)酵液中酯酶的酶活性。
1.3.3 胞外酯酶的分離純化
液體發(fā)酵5 d后,將培養(yǎng)液在濾紙上過(guò)濾,去除菌絲體。添加終濃度為2 mmol/L的芐脒(絲氨酸蛋白酶抑制劑)到液體發(fā)酵液中,以防止整個(gè)純化過(guò)程中蛋白質(zhì)發(fā)生水解。
利用硫酸銨分級(jí)沉淀純化發(fā)酵液中的酯酶[22]。取6份50 mL粗酶液,分別向每份粗酶液中緩慢加入碾細(xì)的(NH4)2SO4粉末,使其飽和度分別為0、20%、30%、40%、50%、60%,(NH4)2SO4溶解后靜置30 min,10 000×g、4 ℃條件下離心15 min,測(cè)定上清液酯酶活力。選取酯酶活力最高的上清液按體積均分為6份,分別加入(NH4)2SO4粉末,使其飽和度分別為70%、75%、80%、85%、90%,待(NH4)2SO4充分溶解后,靜置30 min,10 000×g、4℃條件下離心15 min,棄上清,收集沉淀。將上述沉淀用20mmol/LTris-HCl(pH 8.0)緩沖液充分溶解,定容至25 mL,檢測(cè)剩余酯酶活力。
在上述酶活力最高的基礎(chǔ)上,10 000×g、4℃條件下離心15 min,將上清液加入到丁基瓊脂糖柱(2.5 cm×30 cm),利用10倍柱體積的含有1 mol/L(NH4)2SO4的20 mmol/L Tris-HCl(pH 8.0)緩沖液沖洗,以除去未結(jié)合的蛋白質(zhì)。然后以2mL/min的流速將酯酶梯度洗脫至含(NH4)2SO4(0~1mol/L)的20 mmol/L Tris-HCl(pH 8.0)緩沖液中,總體積超過(guò)4個(gè)柱體積,收集10mL的餾分。將含有酯酶活性的組分匯集[23]。
采用Superdex G-200柱進(jìn)行進(jìn)一步分離。利用含有150 mmol/L NaCl的10 mmol/L Tris-HCl(pH 8.0)緩沖液洗脫柱子,流速為1 mL/min。收集組分,檢測(cè)酯酶活力。所有純化步驟在4℃進(jìn)行。
1.3.4 分析檢測(cè)方法
酯酶活力的測(cè)定:參照KORDEL M等[26]的方法測(cè)定酯酶活力。取10 mL環(huán)己烷、3.55 mL乙醇、6.25 mL己酸(所有試劑每500 mL中加入30 g無(wú)水硫酸鈉)以及0.2 mL酶液,在100mL的密閉錐形瓶中進(jìn)行酯化反應(yīng),反應(yīng)溫度為35℃。反應(yīng)24h后取上清液0.5mL于50mL錐形瓶中,加入5mL水,2滴酚酞,用0.1 mol/L NaOH滴定至終點(diǎn),測(cè)定己酸的消耗量。酯酶活力單位定義:在測(cè)定條件下每分鐘消耗1 μmol己酸所需要的酶量為1個(gè)酶活力單位(U)。
蛋白質(zhì)含量的測(cè)定:采用Bradford法[27]。
蛋白質(zhì)分子質(zhì)量的測(cè)定:采用十二烷基硫酸鈉聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE)(12%丙烯酰胺)進(jìn)行測(cè)定[28]。
1.3.5 蛋白質(zhì)質(zhì)譜分析
采用SDS-PAGE(12%丙烯酰胺)分離純化酯酶后,回收蛋白條帶,用胰蛋白酶裂解得到肽混合物。采用基質(zhì)輔助激光解析串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF-MS)檢測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過(guò)檢測(cè)器收集分離的離子,并測(cè)定每個(gè)離子的質(zhì)子數(shù)與電荷數(shù)的比值(m/z值),從而獲得蛋白質(zhì)的質(zhì)譜分析結(jié)果。
1.3.6 蛋白質(zhì)N端測(cè)序
采用SDS-PAGE(12%丙烯酰胺)分離0.5nmol的純化酯酶,并用電印跡法將其轉(zhuǎn)移到聚偏二氟乙烯膜(polyvinylidencefluoride,PVDF)上。從CBB-R250染色的PVDF印跡中切下酯酶條帶,利用蛋白測(cè)序儀建立標(biāo)準(zhǔn)氨基酸圖譜,確定純化的非變性酯酶的N-末端序列。
1.3.7 酯酶酶學(xué)性質(zhì)研究
(1)溫度對(duì)酯酶活性和穩(wěn)定性的影響
將純化得到的酯酶加入到酯化反應(yīng)體系中,分別置于20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃條件下進(jìn)行酯化反應(yīng),測(cè)定酯酶活力。以酶活力最大值為100%,計(jì)算相對(duì)酶活。
將酶液分別置于30℃、40℃、50℃、60℃、70℃條件下水浴60 min,每隔10 min取樣在37℃條件下進(jìn)行酯化反應(yīng),測(cè)定剩余酯酶活力,并以未保溫時(shí)的酶活力為100%,計(jì)算相對(duì)酶活。
(2)pH值對(duì)酯酶活性和穩(wěn)定性的影響
分別用pH 4.0、4.5、5.0、5.5、6.0的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液(0.25 mol/L)、pH 5.0、6.0、7.0的磷酸氫二鉀-磷酸二氫鉀緩沖液(0.25 mol/L)及pH 7.5、8.0、8.5、9.0的Tris-HCl緩沖液(0.25 mol/L)配制底物反應(yīng)液,測(cè)定其酯酶活力,并以酶活力最大值設(shè)定為100%,計(jì)算相對(duì)酶活。
將酶液分別置于上述對(duì)應(yīng)的pH緩沖液中于4℃放置過(guò)夜,測(cè)定剩余酶活力,以pH7.2處理下的酯酶酶活力(100%)作為對(duì)照,計(jì)算相對(duì)酶活。
(3)金屬離子對(duì)酯酶活性的影響
在溶解酯酶的10mmol/L Tris-HCl(pH 8.0)緩沖溶液中分別添加Ca2+(CaCl2)、Mg2+(MgSO4·7H2O)、Mn2+(MnCl2)、Zn2+(ZnSO4·7H2O)、Cu2+(CuSO4·7H2O)、Fe2+(FeSO4·7H2O)等二價(jià)金屬離子至終濃度為5mmol/L,測(cè)定酯酶活力,以不加金屬離子的酯酶酶活為100%,并計(jì)算相對(duì)酶活。
在黃山頭酒廠的紅心大曲中分離出一株產(chǎn)酯酶的紅曲霉菌株,編號(hào)為HQ-1,采用分子生物學(xué)對(duì)其進(jìn)行菌種鑒定,其系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)如圖1所示。
由圖1可知,菌株HQ與Monascus purpureusMp-41聚于一支,親緣關(guān)系最近,因此,確定該菌株HQ為一株紫色紅曲霉(Monascus purpureus)。
圖1 菌株HQ的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Fig.1 Phylogenetic tree of strain HQ
紫色紅曲霉HQ發(fā)酵過(guò)程中酯酶活性和菌體干質(zhì)量的變化如圖2所示。
圖2 紫色紅曲霉HQ發(fā)酵過(guò)程中酯酶活力和菌體干質(zhì)量隨培養(yǎng)時(shí)間的變化規(guī)律Fig.2 Changes of esterase activity and dry weight of mycelia of Monascus purpureusHQ with culture time during fermentation process
由圖2可知,菌株HQ在發(fā)酵過(guò)程中,培養(yǎng)46 h后,菌株HQ進(jìn)入快速生長(zhǎng)期,細(xì)胞生長(zhǎng)量快速增加,96 h達(dá)到穩(wěn)定期,生長(zhǎng)110 h后,細(xì)胞生長(zhǎng)量開(kāi)始減少,進(jìn)入衰亡期。發(fā)酵液中的酯酶活力隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì),72 h時(shí)達(dá)到最大值(5.8 U/mL),繼續(xù)培養(yǎng)酯酶活力開(kāi)始下降,96 h時(shí)達(dá)到4.8 U/mL。
兩步硫酸銨沉淀法中硫酸銨濃度與酯酶活性的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖3。
由圖3A可知,當(dāng)硫酸銨飽和濃度為50%時(shí),殘留酯酶活性最高,為7.82 U/mL。因此,在第一沉淀步驟中選擇50%硫酸銨飽和濃度。由圖3B可知,經(jīng)50%飽和硫酸銨處理后的粗酶液,再次添加硫酸銨,硫酸銨飽和濃度達(dá)到80%時(shí),酯酶活力最大,為10.53 U/mL,飽和度>80%之后,酯酶活力急劇減小。因此在第二次沉淀步驟中選擇硫酸銨飽和度為80%。
圖3 兩次硫酸銨鹽析沉淀的硫酸銨飽和濃度與酯酶活力的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Correspondence relationship between ammonium sulfate saturation of ammonium sulfate two-stage precipitation and esterase enzyme activity
二步飽和硫酸銨鹽析處理得到的沉淀用20 mmol/L Tris-HCl(pH 8.0)溶解,加入到丁基瓊脂糖柱中,以含不同濃度硫酸銨的20mmol/LTris-HCl(pH8.0)緩沖液梯度洗脫,將具有最大酯酶活力的組分收集合并,然后利用Superdex G-200柱純化,純化后進(jìn)行SDS-PAGE(12%丙烯酰胺),結(jié)果如圖4所示。
圖4 SDS-PAGE圖Fig.4 Electrophoretogram of SDS-PAGE
由圖4可知,經(jīng)二步飽和硫酸銨鹽析、丁基瓊脂糖凝膠柱和Superdex G-200柱純化,酯酶經(jīng)SDS-PAGE(12%丙烯酰胺)分離后顯示出單一的蛋白條帶,表明該蛋白具有高純度,且其分子質(zhì)量為60 kDa,命名該蛋白質(zhì)為ESM1。酯酶ESM1的純化結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 肽段序列比對(duì)結(jié)果Table 1 Comparison results of peptide sequence
由表1可知,經(jīng)二步硫酸銨沉淀和丁基瓊脂糖凝膠柱純化后,檢測(cè)到的總蛋白含量為0.59 mg,經(jīng)過(guò)Superdex G-200柱純化后,最終獲得的酶蛋白含量為0.06mg。200mL粗酶液經(jīng)純化后大約能獲得0.06 mg的純酯酶蛋白。
通過(guò)MALDI-TOF-MS分析,獲得酯酶ESM1的肽質(zhì)量指紋圖譜,結(jié)果如圖5所示。酯酶ESM1的肽段序列比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表2。
圖5 酯酶ESM1的質(zhì)譜圖Fig.5 Mass spectrogram of esterase ESM1
表2 肽段序列比對(duì)結(jié)果Table 2 Comparison results of peptide sequence
注:OS代表物種名;GN代表在Genbank中名字;PE代表蛋白質(zhì)存在(后面數(shù)字代表蛋白質(zhì)存在的個(gè)數(shù));SV代表序列版本。
由表2可知,在NCBI中經(jīng)比對(duì)發(fā)現(xiàn),在紅曲中有一種酸性蛋白質(zhì)與篩選得到的蛋白質(zhì)匹配得分最高為199分。純化得到的酯化酶分子質(zhì)量在60 kDa,而最高得分的酸性蛋白質(zhì)只有41 kDa,可以說(shuō)明純化得到的蛋白質(zhì)包含有一部分酸性蛋白質(zhì)的肽段序列。
使用蛋白質(zhì)測(cè)序儀檢測(cè)純酯酶ESM1的前10個(gè)N-末端氨基酸殘基序列,N-末端氨基酸殘基序列為AOPEEDAAND。通過(guò)氨基酸殘基比對(duì)發(fā)現(xiàn),該酯酶與其他真菌菌株的酯酶無(wú)同源性。
2.6.1 酯化溫度對(duì)酯酶活性及穩(wěn)定性的影響
酯化溫度對(duì)酯酶ESM1活性及穩(wěn)定性的影響如圖6所示。
圖6 溫度對(duì)酯酶ESM1活性(a)及穩(wěn)定性(b)的影響Fig.6 Effect of temperature on the activity(a)and stability(b)of esterase ESM1
由圖6a可知,酯酶ESM1的最適溫度為60℃。當(dāng)溫度<60℃時(shí),酶活性隨溫度的升高而增加;溫度>65℃之后,酶活性急劇下降。由圖6b可知,在30℃條件下水浴60min內(nèi),酯酶活性變化不顯著(P>0.05),因此酯酶ESM1在30℃時(shí)具有較好的穩(wěn)定性;當(dāng)溫度升高至50℃時(shí),酯酶ESM1活性隨水浴時(shí)間的延長(zhǎng)而降低,40min后趨于穩(wěn)定,相對(duì)酶活為60%;溫度達(dá)到60℃時(shí),酯酶ESM1的半衰期為15 min;水浴溫度達(dá)到70℃時(shí),水浴8min后相對(duì)酶活<50%,隨后,隨著水浴時(shí)間的延長(zhǎng),酯酶活性迅速下降,70℃時(shí)酯酶半衰期為8min。
2.6.2 pH值對(duì)酯酶活性和穩(wěn)定性的影響
pH對(duì)酯酶ESM1活性及穩(wěn)定性的影響結(jié)果如圖7所示。
圖7 pH對(duì)酯酶ESM1活性(a)及穩(wěn)定性(b)的影響Fig.7 Effect of pH on the activity(a)and stability(b)of esterase ESM1
由圖7a可知,當(dāng)反應(yīng)體系的pH值為4.0時(shí),相對(duì)酶活僅為10%,說(shuō)明在該pH條件下酯酶ESM1活性受到抑制;隨著pH的升高,酯酶ESM1活性在pH值為7.0時(shí)達(dá)到最大值;在pH值為7.5時(shí),酯酶活性略有下降;當(dāng)pH>7.5之后,酯酶ESM1活性急劇下降,表明ESM1在中性條件下具有較高的活性。由圖7b可知,當(dāng)pH值為4.0時(shí),酯酶ESM1相對(duì)酶活最低,為8%,表現(xiàn)出對(duì)強(qiáng)酸的不耐受性;隨著pH值的增加,酯酶活性逐步升高,pH值為7.0時(shí)酯酶ESM1相對(duì)酶活達(dá)到最大,且表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。隨著pH的進(jìn)一步升高,酯酶活性下降,在pH為9.0時(shí),酯酶ESM1活性最低。
2.6.3 金屬離子對(duì)酯酶ESM1活性的影響
不同金屬離子對(duì)酯酶ESM1活性的影響結(jié)果見(jiàn)圖8。
圖8 金屬離子對(duì)酯酶ESM1活力的影響Fig.8 Effect of metal ions on the activity of esterase ESM1
由圖8可知,Zn2+、Ca2+和Na+對(duì)酯酶ESM1活力有促進(jìn)作用,其中Zn2+促進(jìn)作用最高,而Cu2+、Mg2+、Fe2+和Mn2+對(duì)酯酶ESM1活力有抑制作用,其中Cu2+表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制作用,抑制60%的酯酶活力,分析原因可能是由于Cu2+影響底物與酯酶的催化活性中心結(jié)合,使酯酶利用底物效率降低。Mg2+、Fe2+、Mn2+分別表現(xiàn)出97%、86%、70%、98%的抑制。
本研究從白酒高溫大曲中篩選出一株產(chǎn)酯酶的菌株HQ,經(jīng)分子生物學(xué)鑒定為紫紅曲霉(Monascus purpureus)。從M.purpureus的液體發(fā)酵液中分離純化得到高活性酯酶,命名為ESM1。經(jīng)質(zhì)譜分析和N端測(cè)序發(fā)現(xiàn),純化后的酯酶分子量為60 kDa,具有酸性蛋白酶序列,是一種尚未報(bào)道的新型酯酶。ESM1酶學(xué)性質(zhì)研究表明,ESM1在60℃、pH 7.0條件下具有良好的酯化能力,在溫度為50℃的環(huán)境和中性環(huán)境中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,Zn2+有助于提高酯酶ESM1的活性,而Cu2+抑制ESM1的活性。紫色紅曲霉為傳統(tǒng)發(fā)酵白酒生產(chǎn)中的菌種選擇、優(yōu)化或酶的直接添加提供了基礎(chǔ),同時(shí)也為生產(chǎn)更優(yōu)質(zhì)的白酒提供了可能。