乙酰乳酸脱羧酶体外重组表达与酶学性质分析

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乙偶姻及其氧化还原产物双乙酰、2,3-丁二醇均是重要的四碳平台化合物,在食品、制药、燃料和航天等领域具有非常重要的用途。在细菌发酵生产这三种四碳平台化合物途径中,乙酰乳酸脱羧酶(Acetolactate decarboxylase,ALDC)是控制α-乙酰乳酸代谢流的关键酶,它能催化外消旋的α-乙酰乳酸分子发生脱羧反应,生成单一手性产物(R)-乙偶姻。多数微生物体具有生产ALDC的能力,但是不同来源的ALDC在结构与酶学性质方面有很大差异。Enterobacter aerogenes和Enterobacter cloacae是常见的具有2,3-丁二醇生产能力的菌株;然而一株来源于近海污泥高产乙偶姻(41.63 g/L)的菌株Bacillussubtilis DL01,在发酵过程中检测不到副产物双乙酰和2,3-丁二醇的产生。因此,本论文以上述三株细菌为出发菌株,通过基因克隆和重组表达的三种ALDC,研究ALDC结构与酶活性关系。  论文研究将不同来源ALDC的编码基因克隆、重组到Ecoli BL21中。经IPTG在37℃诱导后重组基因获得可溶性表达。通过离子交换层析和凝胶层析两个步骤成功获得了电泳纯的ALDC,SDS-PAGE结果显示三种ALDC分子量大小均为30 kDa左右。生物信息学分析表明,ALDC-B.s与另外两者的氨基酸序列相似度仅有40%;分子对接结果表明三种ALDC更倾向于直接催化(S)型底物反应,其中ALDC-E.c与底物的结合能最小,而ALDC-B.s的最大,说明ALDC-E.c较ALDC-B.s表现出更好的底物亲和性。根据ALDC催化反应所发生的特殊手性变化,采用圆二色光谱技术测定三种ALDC的活性,结果表明,ALDC-B.s的比活力为1853.26 U/mg,约是ALDC-E.c的1.8倍和ALDC-E.a的2.2倍。相同pH条件下三者活性有所差异,且部分二价金属离子能对ALDC产生激活作用。酶反应动力学常数显示ALDC-B.s的Km值为20.94 mM;而ALDC-E.c与ALDC-E.a的Km值接近,分别为12.20与14.83 mM,与ALDC-B.s相比,ALDC-E.c与ALDC-E.a表现出更好的底物亲和性;ALDC-B.s的kcat值为2.21 s-1,大于ALDC-E.c的kcat0.96 s-1与ALDC-E.a的kcat0.81 s-1,表现出更高的催化效率;这与生物信息学的预测结果相符。
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