王雨辰 丁尊丹 關(guān)菲菲 田健 劉國安 伍寧豐
(1. 西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,蘭州 730070;2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所,北京 100081)
漆酶(laccase,EC1.10.3.2)是一種含銅的多酚氧化酶,屬于多銅氧化酶(MCOs)家族[1],其活性中心包含4個銅離子:I型銅離子,II型銅離子和一對III型銅離子,可催化多種酚類和非酚類芳香化合物的氧化,同時將氧還原成水[2-4]。漆酶因其優(yōu)越的底物寬泛性,可氧化降解許多有害物質(zhì),使其在對有毒化合物和致癌物生物修復(fù)中具有巨大潛力[5-6]。因此,漆酶被廣泛用于食品工業(yè)、染料脫色、制漿、漂白及造紙廢水處理和生物修復(fù)等[7-9],在環(huán)境修復(fù)和致癌物的降解中起非常重要的作用,然而這些處理過程大多都要在較高的溫度下處理,限制了漆酶的活性[10],這就需要尋找耐受較高溫度的漆酶在其過程中得到更好的應(yīng)用。
苯酚和芳香胺類是構(gòu)成環(huán)境污染的主要物質(zhì),漆酶可以氧化降解具有毒性的多種酚類化合物及其衍生物,在生物修復(fù)方面具有巨大潛力。先前已有研究表明來源于Trametes versicolor的漆酶能夠有效降解真菌毒素[11-12],而玉米赤霉烯酮(zearalenone,ZEN)種常見的鐮刀菌毒素[13-14],是谷物中常見的真菌毒素之一,它是通過聚酮化合物途徑合成的,在儲存谷物糧食期間真菌的大量增長會導(dǎo)致的污染[15],而且長期接觸后對人類和牲畜的健康如生殖和免疫等將產(chǎn)生顯著的不利影響,嚴(yán)重的會致畸和致癌。由于ZEN在高溫下不易降解,并且利用物理和化學(xué)等傳統(tǒng)方法降解效果不佳,而且在利用化學(xué)試劑降解時會引入不確定因素[16],所以生物脫毒法具有更好的應(yīng)用前景。目前,用于準(zhǔn)確定量ZEN常規(guī)方法包括高效液相色譜(HPLC)[17]、氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)[18]、高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(HPLC-MS/MS)[19]和酶聯(lián)免疫吸附測定(ELISA)[20]。
此外已有研究發(fā)現(xiàn)漆酶對棉酚具有降解效果[21]。每年全球棉籽產(chǎn)量可以提供足夠的蛋白質(zhì)來滿足 50億人每年的膳食需求[22-23],然而,棉籽植物的色素腺中含有高濃度棉酚,攝入棉酚會使哺乳動物遭受多種持續(xù)性傷害[22-24],因此無法成為安全的植物蛋白,造成很大的資源浪費(fèi),而這種細(xì)胞毒性源于棉酚分子中的醛基[24-26]。因此,為滿足對無醛棉酚棉籽制品和治療劑的需求,迫切需要一種安全的棉酚解毒手段。
2, 2'-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS),氧化后可產(chǎn)生綠色的ABTS自由基,可用于檢測漆酶活性,可作為漆酶氧化底物的介體(在氧存在的情況下介體可作為促氧化劑)[27]。ABTS首先被漆酶氧化成ABTS+,然后氧化成ABTS++。ABTS++是負(fù)責(zé)底物氧化的形式,因?yàn)锳BTS++的氧化還原電位為0.855 V,可以氧化許多非酚底物,包括一些真菌毒素[28-29]。
漆酶來源廣泛,來源不同的漆酶氨基酸序列具有顯著性差異,盡管如此,漆酶的活性中心氨基酸序列具有非常高的保守性。本研究中通過蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫保守序列分析比對從蛋白數(shù)據(jù)庫中篩選到可能的漆酶基因,對其進(jìn)行測定后其發(fā)酵液具有漆酶活性,命名為BA4,并在大腸桿菌中異源表達(dá)測定了相關(guān)酶學(xué)性質(zhì),并以ABTS為氧化介質(zhì)研究了漆酶BA4對ZEN和棉酚降解。
1.1.1 材料 大腸桿菌BL21(DE3)感受態(tài)細(xì)胞購自天根生化科技(北京)有限公司;大腸桿菌Trans1-T1感受態(tài)細(xì)胞購自北京全式金生物有限公司;pET30a(+)-ba4重組載體合成于通用生物系統(tǒng)(安徽)有限公司。
1.1.2 試劑 蛋白胨、酵母浸取物,Oxford公司;異丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)、棉酚、ZEN,上海麥克林生化科技有限公司;咪唑(nitilotriacetic acid,NTA)、ABTS,Sigma公司;PEG8000Poly,北京華美智博科技有限公司;其他化學(xué)試劑均為國產(chǎn)分析純,購自北京化學(xué)試劑公司;2×YT培養(yǎng)基:酵母浸取物1%,蛋白胨1.6%,NaCl 0.5%;LB培養(yǎng)基(pH 7.0):酵母浸取物0.5%,蛋白胨1%,NaCl 1%
1.1.3 儀器 搖床,太倉市科技器材廠,型號HZ-9211K;水浴鍋,北京長風(fēng)儀器儀表公司,型號DK-8D;蛋白電泳系統(tǒng)北京六一儀器廠,型號DYY-2C;超聲破碎儀,寧波新芝科技有限公司,型號JY29-ⅡN;微孔板酶標(biāo)儀,美國molecular devices公司;恒溫培養(yǎng)箱,天津市泰斯特儀器有限公司,型號DH3600;分光光度計(jì)日本日立公司,型號Hitachi-3310;高效液相色譜儀器,日本島津公司;Eclipse Plus C18,4.6 mm×50 mm,5 μm,安捷倫科技有限公司。
1.2.1 漆酶BA4基因篩選及基因合成 基于前期實(shí)驗(yàn)室從土壤宏基因組篩選出的高比活漆酶13B22[30],通過UniParc蛋白數(shù)據(jù)庫,對其漆酶基因保守序列分析,篩選與漆酶13B22氨基酸相似性>40%的漆酶基因,通過最適反應(yīng)溫度回歸預(yù)測模型(PMT)篩選出比漆酶13B22更耐熱的漆酶基因(http://www.elabcaas.cn/pird/preoptem.html),命 名 為ba4。篩選到BA4漆酶基因,通過密碼子優(yōu)化后進(jìn)行全序列合成,并構(gòu)建在pET30a(+)載體上(限制性內(nèi)切酶為BamH I和Hind III)在大腸桿菌中異源表達(dá)。
1.2.2 大腸桿菌漆酶基因大腸桿菌中的誘導(dǎo)表達(dá) 將含有重組載體pET30a(+)-ba4的BL21(DE3)表達(dá)菌株劃線于含有50 μg/mL的卡那霉素的LB固體平板,37℃平恒溫培養(yǎng)過夜;挑取單克隆接種致5 mL含有50 μg/mL的卡那霉素的2×YT液體培養(yǎng)基,37℃、200 r/min培養(yǎng)8-12 h;以1%的接菌量轉(zhuǎn)接至1 L含有50 μg/mL的卡那霉素的2×YT培養(yǎng)基中,30℃、120 r/min振蕩培養(yǎng)至OD600為0.6-0.8,分別加入終濃度為0.2 mmol IPTG和0.25 mmol/L CuCl2,25℃、120 r/min誘導(dǎo)培養(yǎng)4 h后靜置誘導(dǎo)培養(yǎng)20 h后,收集菌體,加入100 mL 20 mmol/L Tris-HCl(pH 8.0)緩沖液重懸菌體,并于低溫條件下超聲破碎,8 000×g、4℃條件下離心30 min后取上清備用。
1.2.3 漆酶蛋白純化與濃縮 層析柱中加入過濾墊片,在兩層過濾墊片中加入4 mL Ni-NTA Agarose柱材,直至柱材沉淀,壓實(shí)后排出氣泡。在4℃下30%乙醇中保存?zhèn)溆?;層析柱?0%乙醇流盡加入5個柱體積的超純水,流盡后加入3-5 mL 0.1 mol/L硫酸鎳;添加30 mL NTA-0平衡層析柱,將層析柱和收集管置于冰上,并將粗酶液加入層析柱中,收集層析柱流穿粗酶液重新加入層析柱中,重新收集穿透液;分別用20 mL NTA-0、NTA-20和NTA-40洗脫結(jié)合能力較弱的雜蛋白;最終用15 mL NTA-200洗脫并收集目的蛋白洗脫液;向?qū)游鲋蟹謩e加入10個柱體積0.5 mol/L NaOH,5個柱體積1.5 mol/L NaCl和10個柱體積超純水清洗層析柱,最后將層析柱保存于30%乙醇中。將NTA-200洗脫目的蛋白放入透析袋中置于5 L含有20 mmol/L Tris-HCl(pH 8.0)的緩沖液于4℃透析過夜;將透析過夜蛋白用PEG8000在4℃條件下濃縮,用2 mL 20 mmol/L Tris-HCl(pH 8.0)緩沖液將濃縮蛋白收集至離心管中。SDS-PAGE檢測蛋白純化效果,并用BCA法測定蛋白濃度。
1.2.4 漆酶BA4酶學(xué)性質(zhì)測定 漆酶BA4酶活測定方法,取750 μL A液[0.2 mol/L Na2HPO4-0.1 mol/L檸檬酸(pH 6.0)]和200 μL B液(5 mmol/L ABTS)于酶活管中,37℃預(yù)熱2 min后加入50 μL純化漆酶蛋白(濃度)反應(yīng)3 min后(1 mL酶活體系),立即置于冰水混合物中終止反應(yīng),使用酶標(biāo)儀在ε420nm條件下讀數(shù)。漆酶一個酶活力單位(U)定義為最適條件下,每分鐘催化1 μmol底物氧化所需要的酶量,漆酶酶活測定體系如表1所示。
表1 漆酶酶活測定體系Table 1 Determination system for laccase enzyme activity
漆酶酶活力計(jì)算公式為:A=(106×ε-1)×(V總×V酶-1)×(?OD×?t-1)
其中A為酶的稀釋液的酶活,單位為U/L;ε為吸光系數(shù),即ε420nm=36 000 L/(mol·cm);V總為漆酶酶活測定反應(yīng)總體積,單位為L;V酶為漆酶酶活測定反應(yīng)添加的酶液體積,單位為L;?t為反應(yīng)時間,單位為min;?OD為反應(yīng)前后吸光值的差值。
漆酶BA4漆酶最適溫度和最適pH測定:將純化后的漆酶BA4蛋白定量后,稀釋0.25 mg/mL,在0.2 mol/L Na2HPO4-0.1 mol/L檸檬酸(pH 6.0)緩沖液下,分別在35、40、45、50、55、60、65和70℃下測最適溫度。在確定最適溫度的條件下測定最適pH,在pH 3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0和7.5的0.2 mol/L Na2HPO4-0.1 mol/L檸檬酸的緩沖溶液測定。酶活測定方法按照漆酶酶活測定方法測定,計(jì)算時以最適溫度的酶活為100%,以計(jì)算各溫度的相對酶活力。
漆酶BA4動力學(xué)參數(shù)測定:配置不同濃度ABTS(mmol/L),濃度分別為150、300、450、900、1 350、1 800、2 250、2 700、3 150、3 600、4 050、4 500和4 950 μmol/L,在最適溫度50℃和最適pH 5.5條件下測定,測酶活體系為1 mL,測定結(jié)果要相應(yīng)的去除對應(yīng)底物濃度的吸光值,測定動力學(xué)參數(shù)的方法按照漆酶酶活測定方法。采用GraphPad Prism 9.0軟件擬合非線性曲線,通過曲線計(jì)算出動力學(xué)參數(shù)Km、kcat和kcat/Km。
1.2.5 漆酶BA4對ZEN和棉酚的降解 棉酚標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制:稱取2 mg棉酚標(biāo)準(zhǔn)品溶于1 mL二甲基亞砜(DMSO)中,配置成2 mg/mL 母液,依次加入不同量棉酚標(biāo)準(zhǔn)品稀釋于終濃度為50 mmol/L Na2HPO4-檸檬酸(pH 6.0)和1 mmol/L ABTS溶液中,如表2所示。棉酚標(biāo)準(zhǔn)品濃度在0.05-0.2 mg/mL之間,如圖1所示。通過HPLC法測定棉酚,HPLC條件參照國標(biāo)法(GB 5009.148-2014)[31],使用Eclipse Plus C18(4.6 mm×250 mm,5 μm)反相色譜柱,含有甲醇和磷酸溶液(85/15,V/V)作為流動相,流速為1 mL/min,上樣量20 μL,通過UV檢測器在235 nm監(jiān)測代謝物的洗脫。柱溫為40℃。
表2 標(biāo)定棉酚所用濃度Table 2 Concentrations of gossypol in marking the standard curve
圖1 棉酚標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig. 1 Gossypol standard curve
漆酶BA4降解棉酚:在400 μL催化反應(yīng)體系中含有終濃度1 mg/mL棉酚、1 mmol/L促氧化劑ABTS、50 mmol/L Na2HPO4-檸檬酸(pH 5.5)緩沖溶液、0.25 mg/mL純化后的蛋白稀釋液,分別在40和50℃條件下反應(yīng)1 h。反應(yīng)結(jié)束后用三倍體積的甲醇終止反應(yīng)。
棉酚相對降解率:棉酚相對降解率(%)=(漆酶未處理前棉酚峰面積-漆酶處理后棉酚峰面積)×100% /漆酶未處理前棉酚峰面積
ZEN標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制:稱取2.5 mg ZEN標(biāo)準(zhǔn)品溶于1 mL二甲基亞砜中(DMSO),配置成2.5 mg/ mL的母液,依次加入不同量ZEN標(biāo)準(zhǔn)品稀釋于終濃度為50 mmol/L的Na2HPO4-檸檬酸(pH 5.5)和1 mmol/L ABTS溶液中,如表3所示。ZEN標(biāo)準(zhǔn)品濃度在0.05-0.2 mg/mL,峰面積與ZEN濃度成線性關(guān)系,如圖2所示。通過HPLC法測定ZEN濃度,使用Eclipse Plus C18(4.6 mm×250 mm,5 μm)的反相色譜柱,流動相為含有0.06% TFA的水相和含有0.05% TFA的乙腈有機(jī)相,流速為1 mL/min,上樣量20 μL,通過UV檢測器在316 nm監(jiān)測代謝物的洗脫。柱溫為35℃。洗脫程序?yàn)椋核啵?00%,4 min;有機(jī)相,0-100%,25 min;流動相B,100%,6 min。
表3 標(biāo)定玉米赤霉烯酮所用濃度Table 3 Concentrations of ZEN in marking the standard curve
圖2 玉米赤霉烯酮標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig. 2 ZEN standard curve
漆酶BA4降解ZEN:將純化后的蛋白稀釋到終濃度為0.25 mg/mL,加入終濃度為1 mmol/L的ABTS作為促氧化劑,在50 mmol/L的Na2HPO4-檸檬酸(pH 5.5)緩沖溶液中進(jìn)行。0.1 mg / mL ZEN的條件下對400 μL反應(yīng)體系進(jìn)行催化反應(yīng),反應(yīng)結(jié)束后用3倍體積的甲醇終止反應(yīng),降解時間為2 h,降解溫度分別為40℃和50℃。
ZEN相對降解率計(jì)算:ZEN相對降解率(%)=(漆酶未處理前ZEN峰面積-漆酶處理后ZEN峰面積)×100%/漆酶未處理前ZEN峰面積
通過PMT模型預(yù)測出BA4漆酶的最適溫度為46.17℃,高于漆酶13B22預(yù)測的最適溫度(32.5℃)。漆酶ba4基因全長1 860 bp,編碼620個氨基酸。通過BLASTX分析,與來源于Rhodothermus marinusAA3-38基因組的銅抗性系統(tǒng)多銅氧化酶(WP_161541154.1)的氨基酸序列100%相同,屬于Copper_res_A超家族。通過Copper_res_A 的保守域比對,使用 NCBI 數(shù)據(jù)庫工具 CDART(保守域架構(gòu)在線檢索工具)進(jìn)行分析,確定出104條氨基酸序列,與來源于Klebsiella michiganensis的銅抗性系統(tǒng)多銅氧化酶(STW26195.1)相似性最高,為58.75%,其次與來源于Henriciella algicola的銅抗性系統(tǒng)多銅氧化酶(WP_119452233.1)相似性為54.3%,證明漆酶ba4基因是Copper_res_A超家族新的漆酶基因。對ba4基因全序列優(yōu)化合成后構(gòu)建在pET30a(+)質(zhì)粒上,轉(zhuǎn)入大腸桿菌BL21(DE3)中,鑒定獲得陽性菌株。
將含有質(zhì)粒pET30a(+)-ba4的E.coliBL21(DE3)的工程菌誘導(dǎo)培養(yǎng)后,分別對上清,沉淀和純化后的蛋白進(jìn)行SDS-PAGE 電泳檢測。結(jié)果表明漆酶BA4蛋白主要以不溶性蛋白形式存在于沉淀中,少量可溶性蛋白在破碎上清中,經(jīng)鎳柱純化可溶性蛋白BA4,可獲得分子量為70 kD的相對單一目的蛋白條帶,與預(yù)期大小一致,如圖3所示。
圖3 漆酶BA4微好氧發(fā)酵20 h檢測Fig. 3 Expression of BA4 after micro aerobic fermentation for 20 h
2.3.1 最適溫度 對純化獲得的漆酶BA4進(jìn)行酶學(xué)性質(zhì)測定,結(jié)果表明在溫度45-65℃之間均可測得較高的酶活,其中在50℃時酶活最高(圖4-A);在最適溫度50℃下測定在不同pH值條件下的酶活,結(jié)果表明pH在5.0-6.5之間時相對酶活在70%以上,其中在pH 5.5時達(dá)到最高酶活。在50℃下pH 5.5時測定漆酶BA4酶比活為190.9 U/mg(圖4-B),相較于前期實(shí)驗(yàn)室測得的漆酶13B22最適溫度提高了10℃,酶比活提高了3倍左右。
圖4 溫度和pH對漆酶BA4的影響Fig. 4 Effects of temperarure and pH on BA4
2.3.2 酶動力學(xué)參數(shù) 在最適溫度50℃和最適pH 5.5條件下,以不同濃度梯度ABTS為底物(150-4 950 μmol/L),測得的酶活力通過用GraphPad Prism 9.0軟件擬合非線性曲線,如圖5所示。通過曲線計(jì)算出Km為(2 144.5±358.5)μmol/L,kcat為(44.06±3.14)min-1,最大反應(yīng)速率為623.2 μmol/(min·g),kcat/Km為(0.020 9±0.002)L/(μmol·min)。
圖5 漆酶 BA4 的米氏方程曲線Fig. 5 Michaelis-menten equation curve of laccase BA4
從色譜圖可以看出經(jīng)漆酶BA4在40℃和50℃分別處理的ZEN底物峰(27.68 min)和棉酚底物峰(12.59 min)均比未用漆酶處理(CK)的峰面積顯著降低,說明漆酶對ZEN和棉酚都有一定降解作用(圖6-A和C)。計(jì)算底物峰面積變化的結(jié)果表明,漆酶BA4在40℃下對濃度為0.1 mg/mL(是我國規(guī)定小麥中ZEN的檢測含量的200倍)ZEN的降解率達(dá)到了93%,該濃度在50℃的降解率達(dá)到了97%左右(圖6-B),表明漆酶BA4在50℃下對ZEN降解效果相對較好,并且?guī)缀鯇?.1 mg/mL ZEN在2 h內(nèi)全部降解。通過計(jì)算棉酚在1 h相對降解面積,濃度為1 mg/mL的棉酚在40℃和50℃的降解率均為30%左右(300 μg/mL)(圖6-D)。在溫度上漆酶BA4在最適溫度下(50℃)對ZEN的降解率更高,而漆酶BA4在40℃和50℃下對棉酚降解率并沒有顯著差異。
圖6 漆酶BA4對ZEN和棉酚的降解作用Fig. 6 Degradation of ZEN and gossypol by laccase BA4
隨著多年研究發(fā)現(xiàn),漆酶來源廣泛,已經(jīng)獲得大量漆酶基因,但由于自身性質(zhì)限制,還未獲得能夠滿足工業(yè)應(yīng)用及環(huán)境需求的漆酶蛋白,因此對于漆酶的開發(fā)改造的研究仍至關(guān)重要。本文研究的漆酶在NCBI數(shù)據(jù)庫比對后發(fā)現(xiàn)其與來源于Rhodothermus marinusAA3-38基因組上的氨基酸序列(WP_161541154.1)高度同源,所以此漆酶BA4可能來源于海洋紅嗜熱鹽菌(R. marinus)。漆酶BA4在大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)中可溶性表達(dá)量較低,主要以不可溶性包涵體的形式存在,我們也嘗試過在畢赤酵母表達(dá)系統(tǒng)中對其進(jìn)行表達(dá),然而其在酵母表達(dá)系統(tǒng)中的外泌表達(dá)量較低,酶活性較低,今后我們可以通過分子改良策略對ba4基因進(jìn)行改造,添加融合標(biāo)簽,優(yōu)化表達(dá)條件等提高其可溶性表達(dá)量。
棉酚大量存在于棉葵科植物中,尤其是在棉籽中,在食品和飼料應(yīng)用方面一直存在問題。由于漆酶降解棉酚機(jī)理方面的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少,目前僅Wang等[21]研究證明了來源于Trametes versicolor的漆酶可以催化棉酚醛和羥基的分子內(nèi)環(huán)化為鄰半醌自由基,并產(chǎn)生釋放的·OH自由基,還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),醛基的氧化顯著降低了生殖毒性和肝毒性。而棉酚屬于多酚羥基雙萘醛類化合物,因此可以將棉酚視作萘一類衍生物,而微生物對萘的脫毒機(jī)理研究報(bào)道較多[32-34],微生物以萘作為碳源起到脫毒作用,棉酚與萘的結(jié)構(gòu)相似,可能在脫毒脫毒機(jī)理方面具有一定相似性,可以通過萘脫毒機(jī)理,進(jìn)一步研究棉酚降解機(jī)理。漆酶BA4對棉酚的降解是否將其氧化為具有解毒作用的環(huán)化棉酚尚未研究,其是否具有新的降解途徑需進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)。
先前研究表明不同的介體對底物的促氧化效率不同[35],所以在后續(xù)研究中要對ZEN與棉酚調(diào)整介體以提高底物降解率。來源于Pleurotus pulmonarius漆酶Lac2通過ABTS、2, 2', 6, 6'-四甲基-1-哌啶氧基(TEMPO)、乙酰丁香酮(acetosyringone,AS)和丁香醛(syringaldehyde,SA)作為ZEN和黃曲霉素不同的降解介體,比較降解率,并解釋了ABTS的氧化還原電位(0.472 V)低于漆酶(0.5-0.8 V)[28],因此很容易被漆酶氧化。對丁香酸甲酯,芥子酸(sinapic acid)和阿魏酸(ferulic acid)等[36]不同介體可以促進(jìn)漆酶對真菌毒素的降解,可以進(jìn)一步探索能夠提高漆酶BA4對ZEN和棉酚降解的介體。
本研究通過最適反應(yīng)溫度回歸預(yù)測模型(PMT)從UniParc蛋白數(shù)據(jù)庫篩選出中高溫漆酶基因ba4,并經(jīng)序列保守域比對發(fā)現(xiàn)是一個新的漆酶基因;該研究對新基因的性質(zhì)做了初步分析,漆酶BA4良好的酶學(xué)性質(zhì)以及對玉米赤霉烯酮和棉酚有效降解為豐富漆酶資源和漆酶的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。