细菌漆酶的结构设计与功能进化

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枯草杆菌漆酶是一种蓝色多铜氧化酶,它能够参与木质素的降解,并且催化多种芳胺类小分子物质的氧化,是一种环境友好型酶。本论文从原始的产漆酶菌株CAR2出发,通过紫外线诱变的方法得到具有较高漆酶活性的菌株ZNXH1,两者所产漆酶分别为CAR2(R155)、CAHH1(R155H、M157H、A158T),而后者的催化活力明显高于前者。为了建立漆酶功能与结构的相关性,我们利用定点突变的方法在漆酶的第二保守区选定了155、157、158三个关键位点,设计并获得了六种突变体漆酶:CAW(R155W)、CAWH(R155W,M157H)、CAWH1(R155H、M157H、A158E)、CAHE(R155H、A158E)、CAHH(R155H、M157H)和CAH2(R155H),其中CAR2、CAH2(R155H)为共享的原始漆酶和对照突变体漆酶。上述八种漆酶在大肠杆菌中实现了有效的活性表达,其分子量均约为66 kDa。对上述八种漆酶的性质与功能进行了对比分析,取得如下结果:(1)CAHH1及所有六种突变体漆酶(CAW、CAWH、CAWH1、CAHE、CAHH、CAH2)的催化活力均高于野生型漆酶CAR2,其中尤以CAHH1及CAHH的催化活力为高,其次为CAH2与CAWH,说明枯草杆菌漆酶的His155、His157、Thr158位点对漆酶活性有明显的正效应或对于漆酶的催化活性是必需的;(2)除野生型菌株CAR2的最适温度为50℃,另外七种漆酶的最适温度均为60℃,而且CAHH1、CAHH、CAH2的热稳定性最高,其次是CAWH1与CAHE,它们在40-80℃下孵育1h后,均可以保持约70%以上的活力,说明枯草杆菌漆酶的His155、His157位点对漆酶的热稳定性也有较大的贡献;(3)野生型漆酶CAR2的最适pH为4.0,剩余七种漆酶的最适pH为4.6,说明CAHH1与所有突变体漆酶的催化条件略有碱移,这显然对漆酶的应用是有益的。W155类突变体漆酶(CAW、CAWH、CAWH1)的酸碱稳定性明显高于其它漆酶,说明W155位点对提高漆酶的酸碱稳定性,特别是在弱碱性条件下的稳定性有明显贡献;(4)Co2+、Mn2+和Mg2+对漆酶有激活作用,其中Mn2+的激活作用最为显著;(5)动力学分析表明,His155、His157、Glu158/Thr158位点对提高漆酶的催化效率是有利或必须的;(6)在漆酶通用介体ABTS存在下,原始漆酶和突变体漆酶均在3 h之内可以使靛蓝胭脂红(蒽醌类)、刚果红(偶氮类)、结晶紫(三苯甲烷类)染料有效脱色,脱色率达70%以上,其中CAHH和CAHH1对靛蓝胭脂红和刚果红的脱色率达到了90%以上,对结晶紫的脱色率可达80%以上,然而所有漆酶对活性亮蓝(蒽醌类)、甲基红(偶氮类)的脱色效果较低(低于20%),说明漆酶的第二保守区对漆酶催化的底物有一定的选择性,同时His155、His157、Thr158位点对提高漆酶的应用性也是有利的。另一方面,所有漆酶对靛蓝胭脂红的脱色均不依赖介体ABTS的存在,但催化结晶紫时确是非常依赖介体ABTS存在的。在有Mn2+存在的条件下,除了原始漆酶CAR2外,其它漆酶对靛蓝胭脂红、刚果红和结晶紫的脱色率均有明显提高,催化3 h后,脱色率均接近100%,其中突变漆酶CAHH和CAHH1对结晶紫的脱色率效力最高,作用1.5 h后达到100%。这些结果说明,这些漆酶,尤其是第二组(CAWH、CAWH1、CAHE)和第三组漆酶(CAHH1、CAHH、CAH2)有望成为有潜力的工业用酶。总体上来说,我们得到的突变体漆酶CAHH和CAHH1在比活力、热稳定性以及脱色率、对环境的敏感性等方面都表现较突出的特性,更好的满足了工业需要。通过对漆酶第二保守区关键位点氨基酸残基的设计改造,通过对比分析所有漆酶在活力、温度稳定性以及脱色率、对环境的敏感性等方面的差异,建立了漆酶在该区域的结构与功能的相关性,为提高漆酶的应用性,并针对不同的目的及漆酶应用条件,设计出不同的高效漆酶等奠定了基础。
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