海洋细菌Zunongwangia sp.两种α-淀粉酶基因的克隆、表达与酶学性质分析

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淀粉是一种重要的工业原料。α-淀粉酶(内切-1,4-α-D-葡聚糖葡聚糖水解酶,EC3.2.1.1)能够以淀粉为底物,随机水解淀粉分子内部的α-1,4-糖苷键,广泛应用在淀粉加工、食品、造纸、纺织和医药等多个领域,具有重要的经济价值。本研究从海洋细菌Zunongwangia sp.中扩增得到两个新的淀粉酶基因,其中一个为典型的α-淀粉酶,另一个为具有环糊精水解活性的α-淀粉酶;将它们克隆到表达载体pGEX-6P-1上,并在Escherichia coli BL21(DE3)中实现了异源表达;纯化了重组的两个α-淀粉酶,并对其酶学性质进行了研究。获得如下研究成果:具有环糊精水解活性的α-淀粉酶AmyZ1:AmyZ1的基因(amyZ1)全长1848bp,GC含量37.55%,编码一个615个氨基酸的多肽,预测等电点pI为4.65、蛋白分子量71.15kDa。 SignalP4.1Server预测该多肽N-端有一个由21个氨基酸组成的信号肽序列。成熟的α-淀粉酶由594个氨基酸组成,预测等电点pI和分子量分别为4.60和68.86kDa。序列比对显示,AmyZ1属于糖苷水解酶家族13,与Gillisia sp.CBA3202假设的α-淀粉酶(WP010227850)有最高的序列一致性(72%);且AmyZ1除具有典型α-淀粉酶的保守序列外,在其N-端和C-端还分别存在着环麦芽糊精酶的保守结构域,与Bacteroides sp. CAG:714的环麦芽糊精酶(WP022339125)有45%的序列一致性。AmyZ1在35℃和pH7.0时活性最高,在0℃时仍有39%的活性,显示出其冷适应性。AmyZ1表现出极端的耐盐性,在1.5M NaCl时有最大活性(126%相对活性),在4M NaCl时保留有93%的活性。以可溶性淀粉为底物时,AmyZ1的Km和kcat值分别为2.74mg ml-1和316.49s-1;而当反应混合液中存在1.5MNaCl时,这两个值分别为2.30mg ml-1和329.58s-1,相应地kcat/Km值从115.51mlmg-1s-1增加到143.30ml mg-1s-1。 NaCl和CaCl2可显著提高酶的热稳定性:AmyZ1与1.5M的NaCl在35℃下保温120min后,其残余酶活相对于没有NaCl时提高了13.2倍;而1mM CaCl2的存在使其相应酶活提高了11.4倍。底物特异性实验显不,AmyZ1除对可溶性淀粉有最高活性外,也可以降解环糊精,是一个具有环糊精水解活性的α-淀粉酶。α-淀粉酶AmyZ2:AmyZ2的基因(amyZ2)全长1446bp, GC含量38.31%,编码一个481个氨基酸的多肽,预测等电点pI为4.24、蛋白分子量为55.17kDa。SignalP4.1Server预测该多肽N-端有一个由24个氨基酸组成的信号肽序列。成熟的α-淀粉酶由457个氨基酸组成,预测等电点pI和分子量分别为4.14和52.31kDa。序列比对显示,AmyZ1属于糖苷水解酶家族13,与已报道的Pyrocoocus Woesei的α-淀粉酶(PDB ID1MWO)具有最高的序列一致性(45%)。AmyZ2在50℃和pH7.0时活性最高,且在pH10.0和11.0的缓冲液中放置5d后(25℃),仍分别有143%和126%的相对活性,显示出其较好的碱稳定性。AmyZ2表现出极端的耐盐性,在2M NaCl时有最大活性(138%相对活性),在3.5MNaCl时保留有100%的活性;AmyZ2在0-4M NaCl中相对稳定。NaCl的存在可显著提高酶的热稳定性:AmyZ2与2M的NaCl在50℃下保温3h后,其残余酶活相对于没有NaCl时提高了53.6倍。在以可溶性淀粉为底物时,AmyZ2的Km和kcat值分别为11.71mg ml-1和1449.43S-1, kcat/Km值为123.78ml mg-1s-1。 AmyZ2对可溶性淀粉的比活力为1662.4U/mg。
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