内切型-β-葡聚糖酶基因的克隆与表达

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内切型-β-葡聚糖酶(endo-β-glucanase,EG)是纤维素酶的重要组分之一,在纤维素水解、棉织物生物整理、饲料、造纸等领域中应用广泛。本文对内切型-β-葡聚糖酶基因的克隆及其在原核细胞、毕赤酵母和丝状真菌中的表达进行了系统研究。  将厌氧真菌内切型-β-葡聚糖酶的基因celE与表达载体pET-28a(+)重组后,转入大肠杆菌BL21(DE3)。采用SDS-PAGE蛋白电泳对重组大肠杆菌表达产物进行分析,在42 kDa附近得到了与目的蛋白催化区域理论值相当的蛋白条带。酶学性质研究表明,酶蛋白的最适作用条件为pH6.0,45℃。摇瓶条件下重组大肠杆菌的EG活力可达到39.1 IU ml-1。  将celE基因与含有乙醇氧化酶启动子(AOX1)的表达载体pPIC9K重组,采用基因导入仪将线性化后的重组DNA导入毕赤酵母GS115,筛选得到3株高G418抗性的转化子。经PCR鉴定表明:celE基因已整合到毕赤酵母的基因组上,这一特点有利于保持遗传性状的稳定。在摇瓶培养条件下,以1.0%的甲醇为碳源和诱导物,96h发酵液中EG活力可达74.1 IU ml-1。  以根瘤农杆菌AGL-1为介导,对里氏木霉(Trichoderma reesei) ZU-02分生孢子体系的DNA转化技术进行了研究。构建了含里氏木霉纤维二糖水解酶Ⅰ强启动子Pcel7a(及其信号肽)和终止子Tcel7a以及潮霉素B抗性标记的新型重组质粒pCB-hPsT,该质粒适用于将目的基因导入里氏木霉中并实现分泌表达,为外源基因在丝状真菌中的克隆与高效表达提供了一个新的技术平台。对农杆菌介导的转化条件进行了研究,发现孢子的预萌发处理对转化效率的提高有重要作用,当萌发时间从0h提升到3h,转化效率可提高25倍以上。该研究结果对于进一步完善丝状真菌基因导入技术平台具有重要意义。  采用生物信息学技术分析了厌氧真菌基因和里氏木霉基因之间的序列差异,依据里氏木霉的密码子偏好对celE序列的催化区域进行了优化,得到新基因序列celEn。采用pCB-hPsT农杆菌介导载体,分别构建含有原始催化区域celE*和优化催化区域celEn的重组质粒pCB-hE*和pCB-hEn。采用农杆菌介导技术将目的基因导入到里氏木霉中,分别获得了300株重组菌株T.reesei/pCB-hE*和293株重组菌株T.reesei/pCB-hEn,后者在以CMC为唯一碳源的平板上生长明显加快,并筛选到8株高产CelEn的重组里氏木霉T.reesei/pCB-hEn。在摇瓶条件下发酵84h时EG活力最高可达193.6 IU ml-1(pH6.0),约是出发菌株同期EG酶活的6.0倍。该研究成功实现了厌氧真菌的内切型-β-葡聚糖酶基因在好氧真菌里氏木霉中的分泌表达,所获得的纤维素酶在牛仔织物水洗整理中具有重要的应用价值,该项研究成果填补了国内中性纤维素酶的生产空白。  采用pCB-hPsT农杆菌介导载体,将里氏木霉的内切型-β-葡聚糖酶基因cel5a置于强启动子Pcel7a和终止子Tcel7a之间,进一步导入并整合到T.reesei ZU-02的基因组DNA上,在以CMC为唯一碳源的选择性平板上筛选到4株生长速率最快的重组子。这4株高产重组子在摇瓶发酵条件下产酶120h可达297.1IUml-1(pH4.8),约是出发菌株ZU-02同期酶活的3.9倍,同时滤纸酶活约提高30%-40%。该项研究成果对于纤维素酶定向进化和高分解活性的纤维素酶生产菌株的构建具促进作用。
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