D-半乳糖底物特异性木糖还原酶的挖掘及其在D-塔格糖合成中的应用

D-塔格糖是一种稀有的具有特殊保健功能的天然食品甜味剂。目前,以D-半乳糖为底物,基于异构化途径的D-塔格糖生物合成受到基本的热力学平衡限制,底物转化率较低;而基于氧化还原途径,可通过热力学耦合辅因子避免不必要的逆反应,具有更高的理论转化率;但现有氧化还原途径中关键酶醛糖还原酶底物谱广,对D-半乳糖底物特异性低,是制约此合成工艺发展的瓶颈。该研究以Scheffersomyces stipitis CBS 6054来源木糖还原酶(xylose reductase,XR)SsXR为模板,基于氨基酸同源性分析,从美国国家生物技术信息中心(National Center for Biotechnology Information,NCBI)中筛选出11个同源序列,并分别对其进行同源建模和分子对接,以D-半乳糖与蛋白分子的结合自由能、作用位点处氨基酸距离为主,结合底物在蛋白口袋中的深度及契合程度等要素筛选到对D-半乳糖特异性最佳的Spathaspora gorwiae来源SgXR。将SsXR和SgXR分别引入大肠杆菌中异源表达并进行酶学性质研究。结果显示,二者均为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氢(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate hydrogen,NADPH)偏好,SgXR对D-半乳糖的底物亲和力是SsXR的4倍,其K m值与k cat分别为SsXR的1/4与1.11倍;进一步引入来源Rhizobium legumenosarum的半乳糖醇脱氢酶RlGDH,以10 g/L D-半乳糖为底物,发酵48 h,含有SgXR的重组菌D-塔格糖产量达到5.47 g/L,是SsXR的1.23倍,且对D-半乳糖转化率为54.7%,高于大多数基于异构化途径的报道。该研究为基于氧化还原途径的D-塔格糖高效生物合成工艺开发奠定了基础。

稳定高效表达木糖还原酶基因工业酿酒酵母的构建及木糖醇发酵的初步研究

将树干毕赤氏酵母(Pichia stipitis)木糖还原酶基因XYL1连接到适用于酿酒酵母工业菌株的多拷贝整合载体pYMIKP中,构建得到表达质粒pYMIKP-XYL1,转化酿酒酵母工业菌株Saccharomyces cerevisiae6508。在G418平板上筛选转化子,得到含高拷贝木糖还原酶基因的酿酒酵母重组菌株XGH2,,该菌株的木糖还原酶比活力为0.8 U/mg(蛋白),比出发菌株提高了80倍以上,表明外源基因在工业菌株中实现了高效表达。摇瓶发酵结果显示,重组菌株XGH2木糖消耗为27.9 g/L,木糖消耗率为51%;木糖醇产量为30.2 g/L,木糖醇的转化率大于1.0 g/g木糖。

木糖发酵酵母Pichia stipitis木糖还原酶基因XYL1在酿酒酵母中的表达

通过PCR方法克隆得到树干毕赤氏酵母木糖还原酶 (XR)基因XYL1。将该基因连入酵母表达载体pYX2 12的强启动子磷酸丙糖异构酶 (TPI)启动子下 ,得到融合表达载体pYX XYL1。通过电转化方法将 pYX XYL1转入酿酒酵母SaccharonmycescerevisiaeW 30 3-1A中 ,酶活测定表明 ,在酿酒酵母中树干毕赤氏酵母木糖还原酶 (XR)基因XYL1得到活性表达 ,2酿酒酵母转化子粗酶液中木糖还原酶活分别为 0 .89U/mg(蛋白 )和 0 .83U/mg(蛋白 ) ,为供体菌的 1 5倍多。与基因供体菌不同 ,木糖还原酶基因在酿酒酵母中表达不需木糖诱导 ,为组成型表达。树干毕赤氏酵母木糖还原酶 (XR)

热带假丝酵母木糖还原酶在酿酒酵母细胞表面展示

利用酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)表面展示系统,将来源于热带假丝酵母(Candida tropicalis)的木糖还原酶基因xyl1嵌入带有His-Tag的酿酒酵母α-凝集素展示载体pICAS-His,构建重组质粒pICAS- His-Ctxyl1,并转化到酿酒酵母宿主菌酿酒酵母MT8—1,通过流式细胞仪快速检测和筛选,得到重组菌株MT8- 1/pICAS-His—Ctxyl1。将重组酵母用于葡萄糖(15g/L)和木糖(5g/L)的混合糖发酵研究,结果表明,重组酿酒酵母MT8/1/pICAS-His—Ctxyl1细胞具有良好的生长和产酶特性,同时能转化木糖生产木糖醇,在培养基中2.5g/ L木糖转化生成2.5g/L木糖醇,转化率达98.7%。

转木糖还原酶基因XYL1酿酒酵母的构建及产木糖醇能力研究

将人工合成的树干毕赤酵母(Pichia stipitis)的木糖还原酶基因XYL1插入酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)表达载体pYES2中,然后将重组质粒pYES2-XYL1导入酿酒酵母INVSc1中,构建转木糖还原酶基因XYL1酿酒酵母菌株INVSc1/pYES2-XYL1,最后采用营养缺陷培养基筛选转木糖还原酶基因酿酒酵母并对其产木糖醇的能力进行检测。结果表明,成功获得2株转木糖还原酶基因XYL1酿酒酵母菌株INVSc1/pYES2-XYL1-01、INVSc1/pYES2-XYL1-02,当两菌株以50 g/L木糖及10 g/L半乳糖为碳源发酵5 d后,木糖醇产量分别高达(13.68±2.37)g/L、(12.09±1.45)g/L,显著高于非转基因酿酒酵母INVSc1的木糖醇产量(1.08±0.37)g/L(P<0.05),说明XYL1基因的导入显著提高了酿酒酵母INVSc1生产木糖醇的能力(P<0.05)。为采用基因工程酿酒酵母制备食用木糖醇提供了理论及技术基础。

细胞粗提液中木糖还原酶的催化特性考察

研究从 Candida Mogii细胞中 ,提取木糖还原酶 ( XR)的实验条件及 XR的催化动力学 .( 1)当破碎停留时间为 3min、离心转速为 12 0 0 0 r· min-1时 ,提取液中 XR的酶活保留较好 .( 2 )适当的 K+能够提高酶活 ,而 Mg2 +对 XR有抑制作用 .( 3)所得粗提液中的 XR具备一定的催化能力 ,可满足实际应用的要求 .( 4 )所得粗提液中的 XR半衰期约为 50 h,其稳定性还不足以实现长期连续催化生产 .

热带假丝酵母木糖还原酶的酶学性质研究

研究了从热带假丝酵母(Candida tropicalis)菌体中获得的木糖还原酶(XR)的酶学性质。实验结果证实,C.tropicalis的细胞浆粗提液经盐析、透析及阴离子交换柱层析后得到的酶液中木糖还原酶比酶活为9·3U/mg、最适酶反应pH为6·0、最适反应温度为35℃;以木糖为底物时,Km·Xyl为64·8mmol/L、Km·N·X为0·0622mmol/L;以阿拉伯糖为底物时,Km·Ara为172mmol/L、Km·N·A为0·0375mmol/L。Zn2+是木糖还原酶的激活剂,Fe3+为抑制剂。固定木糖为反应底物,分别以NADPH及NADH为辅酶测定酶活,实验结果显示该菌体中木糖还原酶的活性主要依赖于辅酶NADPH。

木糖还原酶定点突变设计的生物信息学分析

木糖代谢过程中,木糖还原酶(XR)和木糖醇脱氢酶(XDH)的氧化还原不平衡是利用纤维素生成酒精的关键问题之一.文中借助生物信息学手段(同源建模、酶和辅酶分子对接),通过分析数据库资源,找到了一些影响XR活性或辅酶依赖性的关键氨基酸.结果表明:树干毕赤氏酵母XR与烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)之间形成氢键的氨基酸有Lys21、Val222、Glu223、Phe236和Thr273,与烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)之间形成氢键的氨基酸有Val222、Glu223、Phe236、Glu237和Thr273;突变Lys21(完全保守)使树干毕赤氏酵母XR只与辅酶NAD结合,突变Glu237(不完全保守)使树干毕赤氏酵母XR只与辅酶NADP结合;热带假丝酵母XR与NADP之间形成氢键的氨基酸有Asn278和Arg282(两者都不完全保守),要改变其NADP依赖性,可以替代Asn278和/或Arg282.

树干毕赤酵母木糖还原酶Lysine270定点突变的理性设计

Lysine270是树干毕赤酵母木糖还原酶(PsXR)与还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(NADPH)或还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)形成结合口袋的关键氨基酸之一.为研究该位点对PsXR辅酶偏好性的影响,用其它19种氨基酸替代Lysine270,构建19种不同的木糖还原酶(XR)突变子,利用同源建模和分子对接的方法评价不同突变子与NAD+或NADP+之间的相互作用,并从中选择突变子K270R和K270N进行实验验证.突变基因及野生基因用异丙基-β-d-硫代半乳糖苷(IPTG)在大肠杆菌内进行诱导表达,经纯化后进行酶学性质研究.结果发现:K270R突变使得XR与NADP+的结合能力降低,米氏常数Km由0.025mmol/L升高到0.050mmol/L;K270N突变使得XR与NADP+不能结合.实验结果亦证实,通过理性选择得到的K270N突变子的辅酶依赖性由NADPH完全逆转为NADH.

一种基因工程改造的NADH高亲和力木糖还原酶突变基因可促进酿酒酵母发酵木糖生成乙醇

在导入表达毕赤酵母(Pichia stipitis)木糖还原酶(xylose reductase,XR)和木糖醇脱氢酶(xylitol dehydrogenase,XDH)基因的重组酿酒酵母中,木糖还原酶活性主要依赖辅酶NADPH,木糖醇脱氢酶活性依赖辅酶NAD+,两者的辅助因子不同导致细胞内电子氧化还原的不平衡,是造成木糖醇积累,影响木糖代谢和乙醇产量的主要原因之一.将经过基因工程改造获得的NADH高亲和力的木糖还原酶突变基因m1,与毕赤酵母木糖醇脱氢酶(PsXDH)基因xyl2共转染酿酒酵母AH109,以转染毕赤酵母木糖还原酶(PsXR)基因xyl1和xyl2重组质粒的酵母细胞为对照菌株,在SC/-Leu/-Trp营养缺陷型培养基中进行筛选,获得的阳性转化子分别命名为AH-M-XDH和AH-XR-XDH.重组酵母在限制氧通气条件下对木糖和葡萄糖进行共发酵摇瓶培养,HPLC检测发酵底物的消耗和代谢产物的产出情况.结果显示,与对照菌株AH-XR-XDH相比,AH-M-XDH的木糖利用率明显提高,乙醇得率增加了16%,木糖醇产生下降了41.4%.结果证实,通过基因工程改造的木糖代谢关键酶,可用于酿酒酵母发酵木糖生产乙醇,其能通过改善酿酒酵母细胞内氧化还原失衡的问题,提高木糖利用率和乙醇产率.

Lysine 21突变对树干毕赤氏酵母木糖还原酶辅酶依赖性的影响

木糖还原酶是重组酿酒酵母工程菌利用木糖生成乙醇代谢途径中的关键酶,该关键酶在利用木糖时依赖NADPH而不是NADH是导致酿酒酵母代谢木糖生成乙醇的最终产率低的主要原因之一。为了改变树干毕赤氏酵母木糖还原酶的辅酶依赖性,对它的第21位赖基酸Lys进行了突变。利用质粒载体pET28b分别将突变后的基因K21A-XYL1、K21R-XYL1及野生基因WT-XYL1在大肠杆菌E.coliBL21(DE3)中进行表达,表达后的蛋白经His-Tag纯化柱纯化后测定酶学性质。结果表明:K21R突变子的辅酶依赖性没有改变,但K21A突变子的辅酶依赖性由NADPH完全逆转为NADH。

共表达木聚糖酶和木糖还原酶生产木糖醇的研究

运用PCR技术扩增出短小芽孢杆菌木聚糖酶A基因,构建分泌型重组质粒pET22-xynA,并构建木糖还原酶重组质粒pET28-xyl1。利用双抗生素抗性将pET22-xynA和pET28-xyl1在E.coliBL21(DE3)plysS中共表达,鉴定了木聚糖酶和木糖还原酶的活性。此外,还对其利用木聚糖生产木糖醇做了初步研究,为将来直接应用玉米芯等农副产品生产木糖醇奠定了基础。

木糖还原酶产酶菌株的筛选

从 2 0余株酵母菌中筛选得到可转化D 木糖生产木糖醇的热带假丝酵母。以此为出发菌株 ,通过UV重复诱变 ,并结合高糖平板分离 ,得到木糖还原酶活力较高的较佳诱变株ZG 2 4。当初糖浓度为85 3 6g/L时 ,经 1 0L罐发酵 64h,木糖醇含量达 60 87g/L ,木糖利用率为 94 1 1 % ,产物木糖醇得率达 75 78%。

木糖还原酶基因在大肠杆菌中活性表达

利用聚合酶链式反应(PCR)方法,从休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)基因组DNA扩增得到了木糖还原酶(Xylose Reductase,XR)基因,并在大肠杆菌中活性表达.重组菌在诱导6 h时的XR表达量最大,约为总蛋白的20%.实验考察不同质量浓度的乳糖和异丙基--βD-硫代半乳糖苷(IPTG)对酶活性的影响,结果表明,重组菌在以乳糖作为诱导剂时酶活最高为232.38μkat.g-1,以IPTG作为诱导剂时酶活最高为206.04μkat.g-1.

带有木糖还原酶基因和木糖醇脱氢酶基因的重组酿酒酵母的构建

采用双载体系统，将携带有瑞氏木霉木糖醇脱氢酶基因的表达质粒pAJ401－Xdh1转化已带有树干毕赤氏酵母木糖还原酶基因的重组酿酒酵母H475，构建了同时带有毕赤氏酵母木糖还原酶基因和瑞氏木霉木糖醇脱氢酶基因的重组酿酒酵母HX1。研究了重组酿酒酵母HX1对木糖的转化利用情况。

毕赤酵母木糖还原酶定点突变改善其对双辅酶的亲和力

通过毕赤酵母(Pichia stipitis)木糖还原酶(xylose reductase,XR)基因定点突变,获得NADH高亲和力的毕赤酵母木糖还原酶(PsXR),改善了辅酶不同而导致的酿酒酵母胞内氧化还原失衡.同时克隆了PsXR编码基因,通过BLAST工具进行同源性搜索,并用生物软件进行序列比对和结构分析,确定突变位点.用融合PCR方法进行定点突变,并在大肠杆菌表达系统中进行融合表达,且对表达产物进行HIS-TAG亲和纯化,分光光度法检测酶活性,计算比活力.本研究成功获得突变XR编码基因,并收集了纯化的突变蛋白.酶活性检测和比活力计算显示,3种突变酶对2种辅酶的亲和力在一定程度上都发生了变化.与未突变的PsXR相比,3种突变酶对辅酶NADPH的亲和力均显著下降,突变酶M3对辅酶NADH的亲和力未发生变化,而突变酶M1和M4对辅酶NADH的亲和力显著升高,其中突变酶M1对NADH的亲和力明显提高,对NADPH的亲和力明显下降,其活性主要依赖辅酶NADH,提示K270R位点在XR与辅酶结合中起关键作用.

树干毕赤酵母木糖还原酶基因的克隆及在大肠杆菌中的表达

根据NCBI中的木糖还原酶基因序列设计引物,利用高保真聚合酶克隆树干毕赤酵母木糖还原酶基因,加A后克隆到质粒pGM-T中,测序验证。然后将目的基因克隆到含有强启动子的穿梭表达载体p424GPD中,构建含有XYL1基因的重组质粒p424GPD-XYL1。将p424GPD-XYL1转化到大肠杆菌中,提取总蛋白,聚丙烯酰胺凝胶电泳分析,酶活测定确定木糖还原酶基因XYL1在大肠杆菌中得到活性表达,表明表达载体构建成功。表达载体的成功构建为后续构建重组酿酒酵母利用木糖发酵奠定基础。

休哈塔假丝酵母木糖还原酶基因(xyl1)的克隆与序列分析

木糖还原酶氧化木糖生成木糖醇,处于木糖代谢的节点位置。酿酒酵母自身不具有木糖还原酶,不能利用木糖生产乙醇。因此,可以在酿酒酵母体内引入木糖还原酶基因xyl1,完善木糖代谢流,提高酿酒酵母的木糖利用率和乙醇得率。本研究利用PCR方法,根据木糖还原酶基因xyl1序列相似的特点,设计1对引物,以休哈塔假丝酵母基因组DNA和质粒PKT0150为模板,克隆得到了木糖还原酶基因xyl1,长度为1110 bp,有3个碱基缺失,ORF位于11-982位,全长为972 bp,编码323个氨基酸,缺失的3个碱基TTG位于ORF后10、11、12位。结果表明该片段为HDYXHT-20335木糖还原酶基因序列,为构建利用木糖高产乙醇的酵母菌奠定一定基础。

木糖还原酶基因的克隆及其在酿酒酵母中的定向整合

酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是重要的乙醇生产菌株,但因缺少戊糖代谢途径而不能利用木糖,为了改良工业酿酒酵母利用半纤维素发酵生产乙醇的性能,利用分子生物学技术构建能够利用木糖的基因工程酵母。选取酿酒酵母染色体的rDNA重复序列作为外源基因整合位点,依此构建多拷贝染色体整合型载体pUG-LR。采用融合表达策略扩增得到含有酿酒酵母乙醇脱氢酶启动子PADH和树干毕赤酵母木糖还原酶基因xyl1的融合序列,并将其插入pUG-LR载体中,构建成含遗传霉素G418抗性标记的同源重组质粒pUG-LR-XYL1。以工业酿酒酵母ZU-01为宿主,通过优化后的电穿孔法将重组质粒导入经缓冲液处理的酵母细胞,30℃培养。通过提高YEPX复筛培养基G418浓度,得到10株生长较快的优良性状转化子。在不含G418的YEPX培养基上传代8次以上,以转化子基因组DNA为模板,进行PCR检测,均可获得目的基因片段。研究结果表明:木糖还原酶基因xyl1已定向整合于ZU-01染色体DNA上并稳定遗传,为后续构建工业酿酒酵母的木糖代谢通路、利用木糖产酒精的重组菌株奠定了基础。

树干毕赤酵母(Pichia Stipitis)木糖还原酶(xyl1)基因克隆与序列分析

根据木糖还原酶基因序列相似的特点,设计一对引物获得PichiastipitisCICC1960的一段基因片段,此片段长度为957bp,共编码318个氨基酸。利用生物信息学软件对该序列进行了同源性分析、氨基酸组成分析、疏水性分析、磷酸化位点预测、CDS分析及二、三级结构预测。结果表明该片段为Pichia stipitis CICC1960木糖还原酶基因序列。