易错PCR技术改造β-环糊精葡萄糖基转移酶的催化特性

β-环糊精是一种环状多糖,可用于改变某些大分子化合物的理化性质,在食品、生物及医药等领域都具有很高的工业应用前景。通过利用β-环糊精葡萄糖基转移酶(β-CGTase),使其作用于淀粉等含有葡萄糖基的多糖化合物,可转化生成β-环糊精。该研究采用易错PCR技术对来源于Paenibacillus campinasensis的β-CGTase进行定向进化,得到酶活力高的突变体,并对突变体进行镍柱亲和纯化与酶学性质分析。实验最终获得了一株突变体Q280L,其酶活力与原始β-CGTase相比提高了42.10%,对β-环糊精的转化率提高了7.60%,最适反应pH值和稳定性均有所变化,底物亲和力提高46.13%。经序列比对及结构分析,发现突变体Q280L与野生β-CGTase相比,第280位氨基酸残基种类以及周围氢键发生变化。该试验结果表明,基于易错PCR技术对β-CGTase基因进行定向进化,可提高酶活力和改善酶学性质,为实现β-环糊精的工业生产提供参考意义。

基于易错PCR技术的短小芽孢杆菌YZ02脂肪酶基因BpL的定向进化

利用易错PCR技术对短小芽胞杆菌(Bacillus pumilus)YZ02脂肪酶基因BpL进行两轮定向进化研究,分别获得最佳突变株BpL1-7和BpL2-1369,其脂肪酶活力比出发酶分别提高了2倍和6倍。序列分析表明,突变体BpL2-1369有4个碱基发生了突变:T61C/C147T/A334G/T371A,其中有3个碱基突变导致了氨基酸的改变。通过SWISS-MODEL数据库模拟脂肪酶的结构显示,3个突变氨基酸分别位于第1个α螺旋的第3个氨基酸、第4和第5个β折叠之间的转角以及第5个β折叠的第1个氨基酸位置。将野生型脂肪酶基因BpL和进化后的基因BpL2-1369的高效表达产物经Ni-Agarose柱和Sephadex-G75纯化后,酶学性质测定表明:突变脂肪酶的比活力比野生型脂肪酶提高了1.31倍,Km值由8.24mmol/L降低至7.17mmol/L;在pH>8.0时的稳定性较野生型脂肪酶有所提高。

易错PCR研究进展及应用

易错PCR是目前最简单、有效的一种基因体外随机诱变技术,是农业、工业、生物制药等领域获得优异基因的重要手段。本文综述了易错PCR的基本原理、方法、发展历程,以及该技术的最新研究成果、成功应用领域,并提出了目前存在的问题和可能解决途径。

易错PCR技术提高中性内切葡聚糖酶活性

近年来随着纤维素酶在食品加工工业中具有广阔应用前景,而纤维素酶的工业应用一直受酶活性低,成本高的限制。为了提高中性内切葡聚糖酶的活性,作者利用易错PCR技术对来自枯草芽胞杆菌（Bacillus subtilis）C-36的内切葡聚糖酶基因进行定向进化研究,构建了在大肠杆菌中的突变体库。通过刚果红平板筛选,获得了酶活性提高的突变株F-10,活力比亲本酶提高4.2倍。序列分析表明：F-10有5个碱基发生突变,两个氨基酸突变：D212V和T307S。SDSPAGE条带,表明基因表达正确,而表达量较原始菌株显著增加。酶学性质分析,表明该酶的最适反应pH为5.6,最适反应温度为45℃,在pH 4.5~10.0范围内50℃保温30 min可保持80%的剩余酶活,在60~75℃酶活力相对稳定,可保持在最高酶活的80%以上,当温度高于75℃时,酶开始变性失活,酶活力迅速下降。研究获得了酶活性提高的内切葡聚糖酶菌株,为进一步在分子水平研究内切葡聚糖酶的功能和其应用打下了基础,也为高酶活酶分子在其他高表达系统的表达提供了基础材料。

易错PCR定向进化大幅度提高极耐热β-葡聚糖酶的活性

采用易错PCR方法对来自于极耐热海栖热袍菌的内切葡聚糖酶Cel1B进行定向进化。携带有Cel12B基因的重组质粒pET-20b-Cel12B在固定Mn2+浓度下,通过使用不同浓度的Mg2+优化易错PCR条件,产物构建成pET-20b-Mu-Cel12B重组子,并建立突变体文库,重组子经改进的刚果红平板法筛选,通过透明圈的大小获得了酶活性大幅度提高的突变体3个,突变基因经诱导后的酶活力分别是在同样条件下诱导获得的亲本酶的2.1倍、3.2倍和3.7倍。

基于易错PCR技术定向进化枯草芽孢杆菌β-葡聚糖酶

利用易错PCR技术对来自枯草芽孢杆菌的β-葡聚糖酶基因(bgls)进行改造,并对野生酶和突变酶的酶学性质进行研究。以枯草芽孢杆菌基因组DNA为模板,通过易错PCR技术得到突变基因产物,将其重组于表达载体pET32a(+),构建β-葡聚糖酶基因的突变体文库,通过刚果红平板染色法进行高通量筛选,最终获得两株突变酶,其最适作用温度比野生酶都提高了15℃,最适pH与野生酶基本相同,野生酶酶活力为84.2 U/mL,突变酶酶活力分别为247.3 U/mL和125.1 U/mL,是野生酶酶活的2.9倍和1.5倍。试验获得了具有耐高温高酶活的β-葡聚糖酶,为β-葡聚糖酶的工业化应用奠定基础。

基于易错PCR技术的黏质沙雷氏菌脂肪酶基因LipA的定向进化

利用易错PCR技术对黏质沙雷氏菌脂肪酶基因LipA进行定向进化,经过筛选最终获得一个比活力比野生酶提高了425 U/mg的突变体ep1,测序分析ep1有5个氨基酸发生了突变,与野生酶相比ep1的最适pH值由原来的8.5降低为7.5,Tm值提高3℃,Km值由原来的40 mg/mL降低为12.5 mg/mL。对其三维结构进行分析,推测酶学性质的改变可能与处在活性中心右前方双螺旋发卡结构上的I58A、和处在下部β卷曲折叠拐角处的S375G的突变有关。

易错PCR技术提高耐碱木聚糖酶基因xylBYG耐热性的研究

为了研究耐碱木聚糖酶基因xylBYG耐热性,试验采用易错PCR技术对耐碱木聚糖酶基因xylBYG进行定向进化,经过2轮易错PCR产生突变基因产物,重组于表达载体pET-32a(+)中,并导入大肠杆菌BL21构建突变体文库。结果表明:经筛选获得了最佳突变菌株37D07,包含4个氨基酸替换,其最适作用温度比野生型提高了13℃,酶活约提高了17%,热稳定性也相应提高。

易错PCR技术改造扩展青霉脂肪酶

利用易错PCR技术,建立脂肪酶基因随机突变文库,将随机突变脂肪酶基因转化毕赤酵母GS115,初步筛选了4000株突变菌株,对300株较优突变株进行酶的活力、耐热性、耐酸性的摇管复筛,进一步摇瓶复筛后获得优良突变株ep3,所产突变脂肪酶(ep3-GS)的适宜pH为9.4,适宜作用温度为35℃,与野生重组脂肪酶(PEL-GS)一致,该温度下酶的比活为3440 U/mg,比野生型脂肪酶提高17%。

深海古菌超嗜热α-淀粉酶易错PCR致突变的条件研究

采用易错PCR技术在深海古菌菌株Thermococcus siculiHJ21超嗜热α-淀粉酶基因中引入突变,研究了Mg2+浓度、Mn2+浓度、dCTP和dTTP浓度等条件对突变率的影响。结果表明,在Mg2+浓度为5.0 mmol/L,Mn2+浓度为0.4 mmol/L,dTTP和dCTP浓度为1.5 mmol/L的条件下,碱基突变率为3.2%。

优化易错PCR条件以提高毕赤酵母GAP启动子文库突变效率

高效的随机突变策略对于构建含有丰富突变体的启动子文库至关重要。为了建立一个突变率适中并能获得较多有益突变子的易错PCR(error-prone PCR,EP-PCR)条件,实现毕赤酵母GAP启动子的高效突变,对EP-PCR反应条件进行了优化。考察了模板浓度、反应循环数和Mg2+浓度对EP-PCR的产物得率和突变率的影响后,确定了适于GAP启动子突变的EP-PCR条件:模板浓度、反应循环数和Mg2+浓度分别为1 ng/μL、25和10 mmol/L。优化EP-PCR条件后,GAP启动子突变率为1.1%,连续进行3轮EP-PCR后突变率可达到4.0%。利用优化后EP-PCR对GAP启动子进行随机突变,筛选了250个突变子,获得5个启动子强度高于野生型GAP启动子的突变体,有益突变达到了2%,可用于构建GAP启动子文库。

引入易错PCR和DNA-shuffling技术构建单链抗体库

目的引入易错PCR和DNA-shuffling技术构建高库容量的单链抗体库。方法收集不同年龄、性别、健康状态的人的静脉血各5 mL,提取单个核细胞总RNA,反转录为cDNA,PCR扩增VH和VL基因,应用易错PCR对VH和VL基因进行突变,同时用DNA-shuffling技术对全长单链抗体基因进行体外改组,获得的分子与T载体连接,转化E.coli DH5α,选取阳性克隆,经菌落PCR后酶切鉴定抗体库多样性,计算分析单链抗体库容量。结果成功构建了库容量为4.37×1013的单链抗体库,经酶切鉴定,初步判定抗体库多样性良好。结论引入易错PCR和DNA-shuf-fling技术,成功构建了单链抗体库,为后续筛选高亲和力抗体奠定了实验基础。

易错PCR技术提高嗜热酸性Ⅲ型普鲁兰水解酶TK-PUL催化活性的研究

嗜热酸性Ⅲ型普鲁兰水解酶TK-PUL在液化条件下可完全水解淀粉为淀粉糖,在“液化糖化一步法”的淀粉制糖工艺中具有巨大的应用潜力。本研究拟采用易错聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)技术提高TK-PUL的催化活性。经过两轮易错PCR及高通量筛选,获得了催化活性提高的突变体L538D。与TK-PUL相比,L538D以可溶性淀粉为底物的比酶活力提高了50%,以普鲁兰多糖为底物的比酶活力提高了21%;L538D以可溶性淀粉、普鲁兰多糖为底物的k/K值分别提高了44%、27%。即L538D的α-1,4-糖苷键水解活性和α-1,6-糖苷键水解活性均明显提高,并且其α-1,4-糖苷键水解活性的提高幅度更大。同源模建得到的蛋白质分子结构显示,将TK-PUL中Leu538替换为Asp,可能通过缩短氨基酸残基侧链的长度和减弱氨基酸残基的疏水性,提高了催化活性位点Glu538所在loop结构的柔性,从而提高酶的催化活性。本研究结果表明,TK-PUL中Leu538是影响其催化活性的重要氨基酸残基。

易错PCR技术提高黑曲霉N25植酸酶活力的研究

利用易错PCR技术对黑曲霉(Aspergillus niger)N25的植酸酶基因phyA进行定向进化研究,突变基因产物重组于表达载体pET32a(+)中,并导入大肠杆菌BL21(DE3)构建突变体文库,经筛选获得了最佳突变菌株pET32a-phyAep,其植酸酶活力比出发酶提高了41.8%。突变酶的酶学性质研究发现,与野生酶相比,它的热稳定性,最适温度和最适pH值无显著变化。

利用易错PCR构建酱油酿造用T酵母spt15突变库

为得到酱油酿造优良性状的微生物,对酱油酿造用T酵母进行研究。首先利用易错聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)技术构建spt15(可编码TATA结合蛋白)的突变基因库,然后重组于表达载体YEplac195中,并导入尿嘧啶营养缺陷型菌株W303和WM2中筛选。结果表明:在不同盐质量分数的固体培养基中经筛选获得4个最佳突变菌株,其具有耐盐优势,在酱油发酵中可产生较高的氨基酸态氮。经PCR产物测序可知,重组质粒中目的基因的序列有碱基的增添、缺失和替换。

易错PCR技术定向进化褐藻胶裂解酶Alg-2的分析

为提高褐藻胶裂解酶活力,采用易错聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)技术对海洋细菌Tamlanasp.S12中具有代表性的酶组分Alg-2进行体外定向进化。经过2轮易错PCR及96孔板发酵筛选,分别获得2株正突变和2株负突变菌株,其酶比活力分别是亲本(2 675.2 U/g)的162%、241%、53%、11%。酶的动力学分析显示,正突变株P2-81的Km值比亲本降低50%,而负突变株N2-47的Km值比亲本提高106%,表明突变株对底物的亲和力有极大的上升和下降。基因测序及氨基酸序列分析结果表明,Glu、Thr、Ser、Asp和Tyr对褐藻胶裂解酶活力提高起到正面的积极作用,而Lys的突变起到负面的消极作用,后续人工合成的定点突变则进一步证实Asp和Lys的正/负作用。本研究有助于深入理解褐藻胶裂解酶的催化机制,为后续利用理性设计手段改造褐藻胶裂解酶提供理论参考。

基于易错PCR技术的红酵母D-氨基酸氧化酶的定向进化

采用易错PCR技术对来源于红酵母Rhodotorula gracilis的D-氨基酸氧化酶基因(RgDAAO)进行突变,构建并优化了突变株文库;结合48深孔板的高通量筛选方法,获得突变株M3217,其V_(max)相对于野生型提高了16.8%。对测序结果进行分析,发现突变酶基因序列中有5处点突变,其中3处发生了氨基酸置换,分别为:D242V/Q253R/D304V。利用Swiss-Model对突变株M3217进行三维结构模拟,结果显示所有突变位点都不在催化活性中心的附近,特别是V304的位置在连接F5和F6两个β折叠股的长loop环上。推测D304V这一突变位点很可能增强了RgDAAO二聚体形态的稳定性,或是增强了与辅酶FAD的结合能力,从而间接提高了全酶的催化活力。

易错PCR技术提高枯草芽孢杆菌α-淀粉酶活性研究

探索易错PCR的反应体系最佳条件,利用易错PCR技术对枯草芽孢杆菌jy1的淀粉酶基因amy 1进行定向进化研究。突变基因重组于表达载体pET32a中,并导入大肠杆菌BL21构建突变体文库,经选择性培养基筛选获得2株有益突变菌株pET32a-amya和pET32a-amyb。突变基因经诱导后的酶活力分别是在同等条件下诱导获得亲本酶的2.2和3.1倍。

易错PCR对扩展青霉脂肪酶基因PEL的定向进化

以带有野生型扩展青霉碱性脂肪酶cDNA全长的载体psk-lip07为模板,利用易错PCR技术以及高通量筛选,最终获得了一株最佳突变体GS-pPIC3.5K-lip07-ER04,其最适作用温度比野生型提高10℃,酶活提高了约22%,热稳定性Tm值也提高了3.28℃。基因测序结果表明,脂肪酶(PEL)第82位的Lys突变成Arg,第241位的Glu突变成Pro。

易错PCR在酶的非理性设计改造中的应用

易错PCR是蛋白质分子改造非理性设计常用的技术,已被广泛应用于各类酶分子的性质改良。本文对易错PCR的基本原理及应用优势作了简要阐述,并总结了影响易错PCR效果的关键因素及近年来运用易错PCR技术改善酶的性质方面的研究进展。