嗜热毁丝菌裂解性多糖单加氧酶TtLPMO9I的酶学性质及其功能研究

【目的】为挖掘新型裂解性多糖单加氧酶(LPMO)酶资源,探究LPMO在辅助降解纤维素过程中起到的重要作用。【方法】从Thermothelomyces thermophilus基因组中克隆表达了一个新型LPMO酶TtLPMO9I,系统地分析了其序列及结构的进化特征;采用DNS法表征了TtLPMO9I的酶学性质;在反应体系中添加不同浓度的抗坏血酸探究外部电子供体对TtLPMO9I活性的影响;以玉米秸秆和微晶纤维素为底物,通过检测还原糖的生成量计算获得TtLPMO9I与纤维素酶的协同作用效果。【结果】TtLPMO9I在60℃,pH 5.0时表现出最佳酶活力。在60℃孵育12 h后,仍能剩余54%的活性。经pH 6.0-8.0处理12 h后,酶活无损失。添加外部电子供体抗坏血酸使TtLPMO9I的活性提高至184%。在玉米秸秆和微晶纤维素降解过程中,TtLPMO9I与纤维素酶表现出良好的协同作用效果。将50-200μg的TtLPMO9I添加至降解体系中,还原糖产量分别提高了34%-142%和6%-46%。【结论】TtLPMO9I不仅具有良好的温度稳定性和pH稳定性,在木质纤维素的降解过程中也具有突出的作用效果,为工业生产应用提供了潜在的优质酶资源。

裂解多糖单加氧酶AfLPMO7的酶学特性研究

为了加深对裂解多糖单加氧酶的研究,表达了来源于Aspergillus.fumigatus Z5的裂解多糖单加氧酶AfLPMO7。底物吸附实验表明其对磷酸溶胀纤维素(PASC)具有较强的结合能力,且能直接作用于PASC和木聚糖(Xylan)并产生还原糖;糖化实验表明其能有效协助纤维素酶水解天然底物水稻秸秆、小麦秸秆和玉米秸秆,分别最大提高111.89%、38.82%和50.95%;动力学实验表明其对2,6-二甲基苯酚(2,6-DMP)具有较强的氧化能力,Vmax值为109.99±3.91 U/g;自动建模和分子对接表明其催化中心和底物结合中心不一致。

裂解多糖单加氧酶的研究进展

多糖类化合物在自然界中广泛存在,但目前针对多糖类底物的酶解效果并不理想。裂解多糖单加氧酶(lytic polysaccharide monooxygenase,LPMO)是一种新型的多糖降解酶,其能够以氧化方式打开纤维素中的糖苷键使其出现更多的酶解位点,从而在降解纤维素等多糖类物质中发挥着巨大优势。该文从LPMO的分类、结构、活性测定方法、异源表达及其在食品、饲料等领域的应用等方面进行了介绍,以期为该酶的推广应用提供帮助。

裂解多糖单加氧酶在植物病害中的研究进展

植物病原真菌在侵染植物的过程中会分泌细胞壁降解酶来破坏植物细胞壁,以达到成功入侵寄主的目的。研究表明,病原菌分泌的细胞壁降解酶中的纤维素酶、果胶酶、木聚糖酶、几丁质酶、酯酶均参与了植物细胞壁的降解和病原菌致病的过程,但是对于细胞壁降解酶中的裂解多糖单加氧酶在病原菌侵染植物过程中的功能研究较少。根据近年来辅助活性酶类以及属于辅助活性酶类中的裂解多糖单加氧酶的研究进展,综述了辅助活性酶的分布、种类、功能以及裂解多糖单加氧酶植物病害中的作用研究,旨在为辅助活性酶类在植物病害中的功能研究和病害防控提供参考和依据。

LPMO结合硫酸水解制备纤维素纳米晶体

以棉溶解浆为原料,使用裂解性多糖单加氧酶(LPMO)预水解结合硫酸水解制备纤维素纳米晶体(CNC),对LPMO预水解前后纤维的微观形态和制得的CNC进行了粒径、结晶度和微观形态等表征,并与仅硫酸水解制备的CNC进行对比。研究发现,采用质量分数60%硫酸水解时,经LPMO预水解得到的CNC比仅硫酸水解制备的CNC平均粒径减少22 nm,结晶度提高8.8个百分点,得率提高19.3个百分点。在LPMO预水解后,随着硫酸质量分数降低,CNC的得率和羧基与磺酸基总量减少,粒径上升,而结晶度无明显正比关系。从LPMO作用整体效果来看,预水解结合50%硫酸得到的CNC与对照组相比粒径增加9 nm,羧基和磺酸基总量略小,而结晶度提高6.4个百分点,得率提高18.4个百分点,其原子力显微镜(AFM)表征显示已达到纳米水平。故通过LPMO预水解结合50%硫酸即可制得CNC,这可降低对工业生产上设备耐酸能力的要求。但LPMO反应周期长,因此在实际工业应用中有待进一步研究。

具有辅助降解纤维素功能的大斑刚毛座腔菌糖苷水解酶GH61的鉴定、异源表达及功能分析

糖苷水解酶61家族(GH61)属于一类同时具有氧化作用和水解作用的纤维素降解酶类,既具有微弱的纤维素内切酶活性,也可通过氧化作用破坏纤维素晶体结构促进纤维素酶对木质纤维素的降解,在生物质资源的利用方面具有潜在的应用价值。对大斑刚毛座腔菌Setosphaeria turcica的GH61家族基因进行鉴定及生物信息学分析,通过转录组数据分析及荧光定量PCR验证,筛选出受玉米秸秆木质纤维素底物诱导表达的GH61家族基因StGH61-11。将StGH61-11进行重组表达,使用2,6-二甲氧基苯酚氧化反应测定其酶活力并优化诱导条件,表征其酶学性质并检测其对纤维素酶水解木质纤维素的促进作用。结果表明,在S.turcica基因组中存在21个GH61家族基因,且S.turcica在玉米秸秆的诱导下滤纸酶活明显增加,对其进行转录组分析发现,在以玉米秸秆为碳源时GH61家族基因中有11个基因的表达量增加。将其中StGH61-11基因在大肠杆菌中诱导表达,最佳诱导条件为25℃、1 mmol/L IPTG诱导9 h,此时获得的蛋白比活力可达到(54.08±1.67)U/g。重组蛋白StGH61-11的最佳催化条件为温度50℃、pH 5,在最佳催化条件下可以显著提高纤维素酶水解玉米秸秆的活性,协同度最高可达2.5,糖化率最高可达46.5%。

A midgut-specific lytic polysaccharide monooxygenase of Locusta migratoria is indispensable for the deconstruction of the peritrophic matrix

Lytic polysaccharide monooxygenases(LPMOs)are important enzymes that boost the hydrolysis of recalcitrant polysaccharides,such as chitin.They are found extensively in different insect species and are classified as auxiliary activities family 15(AA15)LPMOs(LPMO15).Some of them were identified from the insect midgut and proven to act on chitin.However,knowledge about their physiological roles during insect growth and development remains limited.Here,we found that midgut-specific LPMO15s are widely distributed in different insect orders,such as the orthopteran Locusta migratoria and the lepidopteran Bombyx mori.Using L.migratoria as a model insect,the function of midgut-specific LmLPMO15-3 during development was investigated.Double-stranded RNA-mediated downregulation of LmLPMO15-3 expression at the 4th or 5th instar nymph stage severely decreased the survival rate and resulted in lethal phenotypes.Hematoxylin and eosin staining results indicated that the deficient individuals exhibited incompletely digested peritrophic matrix(PM),which suggested that LmLPMO15-3 is essential for the deconstruction of the PM during molting.This study provides direct evidence of the physiological importance of a midgut-specific LPMO15 during insect development.As L.migratoria is one of the most destructive agricultural pests,LmLPMO15-3 is a potential target for pest management.

几丁质裂解性多糖单加氧酶的表达及应用研究

以具有几丁质降解能力菌株Chitiniphilus sp. LY72的裂解多糖单加氧酶(Cs LPMO)为研究对象,在克隆Cs LPMO全长基因的基础上对其进行生物信息学分析,利用3种表达质粒p ET-22b、pET-28a和pCold,构建Cs LPMO异源表达菌株EBL-22、EBL-28和EBL-Co。重组Cs LPMO蛋白经Ni-NTA亲和层析柱纯化及十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)鉴定,筛选最佳表达质粒,对其表达条件进行优化。结果表明,Cs LPMO是一种裂解性多糖单加氧酶,隶属于AA10家族。3株重组菌中,纯化重组酶蛋白相对含量分别为5.9%、4.1%、5.4%,比酶活力分别为155.42 U/mg、80.26 U/mg、148.29 U/mg,因此,确定最佳质粒为pET-22b,菌株EBL-22表达条件为:OD600 nm值至0.4时,添加异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)至终浓度为0.4 mmol/L后,在25℃下诱导表达16 h。在优化条件下,其可溶性蛋白含量为928.32 mg/L,比酶活力为3.34 U/m L。Cs LPMO的加入可使还原糖的产量提高1.67倍。

大肠杆菌分泌表达裂解性多糖单加氧酶发酵条件的优化

裂解性多糖单加氧酶(Lytic polysaccharide monooxygenases,LPMOs)是一种铜离子依赖型的氧化酶,可以降解生物质中的顽固多糖。因此,LPMOs在木质纤维素转化为生物燃料或其他有价值的寡糖方面得到了广泛的研究。该研究对来源嗜热毁丝霉的MtC1 LPMO在大肠杆菌中进行了异源表达,首先研究了不同信号肽对重组蛋白表达的影响,结果表明PelB信号肽可以成功将MtC1 LPMO分泌至细胞外,提高了MtC1 LPMO的总可溶性蛋白含量。为进一步提高MtC1 LPMO胞外表达量,对诱导时期、诱导剂浓度、诱导温度、发酵时间和乙醇浓度进行了优化。实验结果表明,在培养基OD 600值达到0.9时,添加终浓度为0.5 mmol/L的IPTG和终体积分数为2%的乙醇,然后于30℃发酵16 h后重组MtC1 LPMO的表达量最高,可溶性蛋白总含量为12.65 mg/L,为优化前的2.05倍。其中细胞外蛋白含量也达到了最高,为8.51 mg/L,细胞外比率为67.30%,以2,6-二甲氧基苯酚为底物在标准条件下测定的比活力为10.3 U/g。

AA9家族裂解多糖单加氧酶研究进展

AA9家族裂解多糖单加氧酶(LPMO)通过氧化裂解破坏纤维素的结晶结构,提高其酶水解效率,在生物炼制行业应用前景广阔。综述了AA9家族LPMO对纤维素酶水解木质纤维素的活性促进作用;归纳了AA9家族LPMO在外源电子供体及氧气的参与下对糖苷键进行氧化裂解的反应机制,并对其外源电子供体系统进行了合理的分类;对AA9家族LPMO的活性测定方法及重组表达技术进行了探讨;最后对AA9家族LPMO有待深入开展的研究内容进行了展望,以期为AA9家族LPMO的研究和应用提供参考。

对比生物体系以及合成体系中单核铜氧物种对碳氢键和氧氢键活化的理论研究展望

由于具有较好的催化性能,含过渡金属的酶一直备受研究者的关注.其中,铜作为生物体中含量仅次于铁和锌的过渡金属,在新陈代谢过程中发挥着重要作用.铜酶广泛存在于自然界中,该类生物大分子涉及电子转移、氧化还原、氧气的运输与活化等生物化学过程.多种铜酶在氧气活化方面表现出引人注目的性质,例如:颗粒状甲烷单加氧酶(pMMO)、多糖单加氧酶(LPMO)、双铜单加氧酶肽基甘氨酸α-羟基化酶(PHM)和多巴胺β-单加氧酶(DβM),它们均可活化氧气,并生成相应的铜-氧活性物种.铜酶或铜配合物活化氧气可生成多种铜-氧活性物种,包括Cu(II)-O_(2)^(•),Cu(II)-OOH(R),Cu(II)-O^(•)及Cu(III)-OH等.这些活性物种通常具有不同强度的攫氢能力,可能是铜酶C-H/O-H活化的活性氧物种.近几十年来,为了深入揭示铜酶的催化活性和反应机理,阐明关键铜-氧中间体的结构和性质,研究人员合成了众多含铜配合物体系,并模拟探索了铜-氧活性物种的反应活性尤其是对底物C-H/O-H键活化能力.本文聚焦于含有单铜活性位点的酶及其配合物体系.结合密度泛函理论计算,深入比较了铜酶及配合物体系中铜-氧活性物种反应活性,总结得到以下普遍规律:(1)MN15泛函可准确描述单核铜氧配合物的热动力学性质,对各类铜氧物种催化的C-H/O-H键活化计算中,得到的热动力学性质都能与实验结果很好地吻合;(2)Cu(II)-O_(2)^(•)在生物体系和人工合成体系中表现出一致的反应活性:它对O-H键活化表现出高反应活性,但对C-H键反应活性较差,因此不太可能是铜酶中C-H活化的活性中间体;(3)Cu(II)-OOH没有活化C-H键的能力,但其近端氧原子上的自由基特性使其能够攫取中等强度O-H键上的氢原子,另外该物种还可以与另一分子Cu(I)偶联形成双铜物种.因此,在生物体系和合成体系中Cu(II)-OOH均可作为氧气活化路径上的关键中间体,但并不能作为C-H键活化的氧化剂;(4)Cu(II)-O^(•)对C-H键活化具有高反应活性,因此该类物种可能在单铜单加氧酶的C-H键活化中起关键作用;(5)尽管许多实验证明Cu(III)-OH对C-H键的活化有较高的反应活性,但是在单加氧酶中,生成这一物种在热力学上是非常不利的,因此不太可能是单加氧酶中的活性物种.综上,本文的观点可以为生物体系及合成体系中的铜氧物种的反应活性提供新的视角与思考.

嗜热毁丝霉菌多糖裂解单加氧酶基因的克隆及生物信息学分析

多糖裂解单加氧酶(LPMO)是近来发现的一类裂解结晶多糖(如纤维素和几丁质)的氧化酶,它通过单加氧的形式断裂多糖底物之间的糖苷键。为研究LPMO的功能和结构特性,采用基因工程技术从嗜热毁丝霉菌中克隆出LPMO基因(MtLPMO9F)并构建重组表达载体和重组表达菌株,采用生物信息学在线工具和软件分析MtLPMO9F基因编码的蛋白质MtLPMO9F的理化性质、亲/疏水性、信号肽、结构域及空间结构等。结果表明:成功构建了MtLPMO9F真核表达载体及毕赤酵母表达菌株。生物信息学分析结果表明,MtLPMO9F的预测分子量约35.19kDa,理论等电点为5.13,有4个潜在的N-糖基化位点和16个O-糖基化位点。系统进化分析显示MtLPMO9F与嗜热子囊菌(Thermoascus aurantiacus)的同家族酶TaLPMO9A有亲缘关系,序列相似性为43%。

裂解性多糖单加氧酶HcLPMO与纤维素酶协同降解纤维素

【目的】为研究HcLPMO的活性测定方法及其与纤维素酶的协同降解特性。【方法】利用大肠杆菌表达系统进行HcLPMO异源表达,研究以AmplexTM Ultra Red为荧光底物的LPMOs活性检测条件;研究HcLPMO与纤维素酶最优配比协同降解微晶纤维素及其他多种生物质底物的能力。【结果】表达条件确定最适装液量为20%,最适诱导温度为20℃。活性测定研究结果表明HcLPMO需先与铜离子结合才具有活性,电子供体抗坏血酸钠(ASC)最适浓度为10^(-4) mol/L,并发现Amplex^(TM) Ultra Red浓度以及辣根过氧化物酶浓度对酶活的检测影响较小。HcLPMO与纤维素酶协同降解微晶纤维素研究确定HcLPMO与纤维素酶最优配比为2:3,葡萄糖产量相较纤维素酶单独作用提高了99.48%。此外,针对多种生物质底物,发现该酶与纤维素酶的复配体系对汽爆玉米秸秆和微晶纤维素的协同降解效果较好,相较于单独用纤维素水解酶,葡萄糖产量分别提高了63.81%和59.43%,而对碱处理玉米芯和木薯渣降解效果次之,葡萄糖产量仅分别提高35.41%和11.06%。【结论】HcLPMO与纤维素酶复配能够有效提高酶法降解纤维素效率;而底物前处理如蒸汽爆破或碱处理对于HcLPMO与纤维素酶协同降解木质纤维素影响较大。

AA10家族裂解多糖单加氧酶的模块化组成及底物选择性的研究进展

AA10家族裂解多糖单加氧酶(lytic polysaccharide monooxygenases,LPMOs)主要分布于细菌中,因其具有催化纤维素和几丁质等结晶多糖氧化降解的特性,在工业生物质转化过程中具有极强的应用潜力,从而受到广泛关注。然而,AA10家族不同LPMOs作用的底物种类及氧化位点和氧化产物也不尽相同,LPMOs的结构与组成对其底物选择性的影响机制有待进一步探究。因此,本文综述了AA10家族LPMOs的模块化结构组成及其催化机制,梳理了AA10家族LPMOs的底物谱,系统总结了AA10家族LPMOs的结构、关键作用残基及多模块组合对底物选择性影响的最新进展,并展望了LPMOs在生物质转化和生物燃料工业中广阔的应用前景。

裂解性多糖单加氧酶及其应用研究进展

裂解多糖单加氧酶(lytic polysaccharide monooxygenases,LPMOs)是近几年新发现的氧化酶,该酶在生物质酶解方面发挥着重要的作用,因此,被描述为生物质解构助推器。LPMOs与底物的结合具有特异性,催化机理尚未完全阐明。虽然关于LPMOs的研究很多,但真正投入到工业生物质转化中的却很少,这对它们的表达、调控和应用都提出了挑战。本文首先系统综述了LPMOs的发现与分类、催化机制、构效关系,其次探讨了LPMOs的活性测定方法及重组表达技术,最后协同综述了LPMOs在不同领域的应用并对未来的研究方向进行了展望。本综述有助于加深对LPMOs的系统认识,推动LPMOs及其酶工程的研究,以期为LPMOs的研究和应用提供参考。

Actinosynnema mirum DSM43827溶解性多糖单加氧酶的异源表达和酶学性质表征

溶解性多糖单加氧酶(lytic polysaccharide monooxygenases,LPMO)是近年来新发现的一类作用于结晶多糖(如纤维素和几丁质)的氧化酶;LPMO通过氧化的方式来裂解底物从而有利于水解酶系进一步作用,获得可溶性寡糖。为获得更多新酶资源,通过PCR方法从Actinosynnema mirum DSM 43827菌株中成功地克隆了编码LPMO的基因Amir_5334;将该基因构建到含麦芽糖结合蛋白(maltose binding protein,MBP)标签的pET-28a(+)载体(pET-28a-MBP)上,并转化至E.coli BL21(DE3)中进行诱导表达。利用镍柱亲和层析进行纯化,获得融合表达蛋白后,使用Factor Xa蛋白酶切除MBP标签,最终得到成熟的LPMO(Am5)。成熟Am5的预测分子量约为26 kDa,等电点为8.3。分析Am5序列发现,Am5与同家族中LPMO的序列一致性较低,具有良好的序列新颖性。酶学性质分析表明Am5是对几丁质有氧化活性而对纤维素无氧化活性的LPMO;与几丁质酶协同降解几丁质时可提高几丁质酶60%的水解效率;吸附实验显示,Am5对几丁质具有较强的吸附作用,而对纤维素吸附能力较弱。以上研究表明,Am5是一种针对几丁质底物具有高效选择性的新型氧化酶。

米曲霉裂解性多糖单加氧酶的异源表达与性质分析

【目的】裂解性多糖单加氧酶(lytic polysaccharide monooxygenases,LPMOs)是一类以氧化方式断裂多聚糖糖苷键的新型木质纤维素降解酶,本文旨在挖掘新型LPMOs并研究其性质。【方法】从米曲霉中克隆LPMO基因,利用毕赤酵母表达系统进行异源表达,研究其酶学性质和还原剂对其活性的影响,进一步探讨LPMO与糖苷水解酶协同作用时的底物结合现象。【结果】Ao LPMO2和Ao LPMO5序列分析显示,两种蛋白都为辅助酶类9家族的LPMOs;电击转化至真核毕赤酵母GS115中,获得双拷贝转化子GS/AO5-4,经1%甲醇诱导4 d后,上清液蛋白表达量为0.19±0.01 g/L。重组蛋白分子量约34 k Da,高于理论分子量,推测可能存在翻译后修饰。酶学性质分析表明,Ao LPMO5对刺槐豆胶的最适反应温度和p H分别为60°C和5.0,Km和Vmax分别为8.72±1.99 mg/m L和109.4±12.8μmol/(s·mg)。0.1 mmol/L Cu^2+促进酶活性提高(7.10±1.32)%(P<0.05),0.5、2.0和2.5 mmol/L H2O2分别促进酶活性提高(21.11±6.17)%(P<0.01)、(20.22±1.13)%(P<0.01)和(18.40±2.86)%(P<0.01),而没食子酸和维生素C对活性无明显作用。在反应前期,Ao LPMO5与刺槐豆胶底物结合从而影响甘露聚糖酶Bs MAN3的降解作用。而在反应后期,Ao LPMO5与Bs MAN3则表现出协同增效作用。【结论】Ao LPMO5是一种全新的生物质降解酶,阐明其酶学性质和底物作用方式,将为天然木质纤维素类底物的高效转化与生物炼制,如第二代生物乙醇、功能性低聚寡糖等生产建立基础。

溶解性多糖单加氧酶CBP21的高效分泌表达及与几丁质酶的协同作用研究

为实现溶解性多糖单加氧酶CBP21在枯草芽孢杆菌中的高效分泌表达,并对其与几丁质酶的协同作用进行研究,以大肠-枯草芽孢杆菌穿梭质粒p WB980为基本骨架,溶解性多糖单加氧酶为目的蛋白,构建了信号肽筛选载体,依据信号肽结构特征(正电荷与疏水性的差异)对Sec途径的13个信号肽进行了筛选,结果显示信号肽Ylq B引导分泌溶解性多糖单加氧酶的效率最高,其发酵液上清对胶体几丁质结合活力最高,上清中结合蛋白占总蛋白浓度为32.39%。进一步分别对CBP21和来自糖苷水解酶18家族粘质沙雷菌几丁质酶及来自糖苷水解酶19家族的嗜水气单胞菌几丁质酶Chi92的协同作用进行分析,表明CBP21对几丁质酶和Chi92活力均有促进作用,其中使粘质沙雷菌几丁质酶活力提高1.85倍,使Chi92(嗜水气单胞菌)活力提高2.35倍。上述研究为该溶解性多糖单加氧酶的工业应用奠定了基础。

来源于真菌AA9家族裂解性多糖单加氧酶的研究进展

AA9家族的裂解性多糖单加氧酶(lytic polysaccharide monooxygenase,LPMO)广泛存在于真菌中,由于其能作用于木质纤维素的结晶多糖,从而使其在生物转化生物质方面发挥重要的作用。本文首先综述了AA9家族LPMO的结构特点、催化机制、结构与功能之间的关系,其次阐述了AA9家族LPMO的微生物表达与调控,最后简单介绍了AA9家族LPMO在转化木质纤维素中的应用。

溶解性多糖单加氧酶的研究进展

木质纤维素是地球上储藏量最为丰富的可再生生物资源。将木质纤维素酶解成寡糖或单糖是生物质利用的关键。然而,传统的糖苷水解酶很难对其进行有效降解。溶解性多糖单加氧酶是一种全新的生物质降解酶,丰富了生物质降解的模式。它以氧化方式作用于糖链,产生更多的还原端以便糖苷水解酶能进一步进行催化。本文综述了LPMO的发现历史、分类、作用机制与活性测定方法,并讨论了LPMO在饲料添加剂、功能性食品与生物能源等领域的应用前景。