麥芽糖轉糖基酶在畢赤酵母中的表達及活性分析

朱國強，王水興*，黃 蘭，朱石龍

(南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室，江西 南昌 330047)

麥芽糖轉糖基酶在畢赤酵母中的表達及活性分析

朱國強，王水興*，黃 蘭，朱石龍

(南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室，江西 南昌 330047)

用PCR方法從E.coli BL21(DE3)中獲得麥芽糖轉糖基酶基因，將該基因插入到酵母表達載體pPIC9K的α分泌信號開放閱讀框的下游，對重組質粒pPIC9K-MalQ所含的外源片段進行雙向測序。將測序正確的重組質粒用內切酶SalⅠ線性化，電穿孔轉化到GS115感受態(tài)細胞中，G418梯度篩選高拷貝轉化菌及PCR鑒定目的基因的整合，1%甲醇誘導表達。經(jīng)薄層色譜分析粗酶液處理的麥芽二糖溶液，證實粗酶液具有麥芽糖轉糖基酶活性。

麥芽糖轉糖基酶；畢赤酵母；基因重組

麥芽糖轉糖基酶(amylomaltase)存在于古生菌[1]、細菌[2]及一些植物[3-4]中，參與麥芽糖的代謝利用[5]，淀粉為底物生成熱可逆性凝膠或環(huán)狀糊精[6]。熱可逆性凝膠可以取代明膠，有效地解決淀粉回生問題；環(huán)狀糊精具有筒狀疏水內腔和親水外表，可以和多種疏水性客體分子形成包合物，從而改變客體分子的水溶性、穩(wěn)定性、反應性，因此環(huán)狀糊精可應用于食品、化學及醫(yī)藥工業(yè)。由此可見，這兩種物質都具有很好的商業(yè)應用價值。

現(xiàn)在工業(yè)中所用的環(huán)狀糊精主要是聚合度分別為6、7、8的α-、β-、γ-環(huán)糊精及其衍生物，其中以β-環(huán)糊精應用最為廣泛。而大環(huán)糊精是指一種聚合度(指葡萄糖分子的數(shù)目)從9到幾百不等的環(huán)狀葡聚糖，比α-、β-、γ-環(huán)糊精具有更大的筒狀內腔，包合能力更強，可以包合多種分子質量的分子[7]，且大環(huán)糊精具有高水溶性。由于大環(huán)糊精可以與更多的疏水性物質形成包合物，因而應用范圍更廣。麥芽糖轉糖基酶是合成大環(huán)糊精的一種酶，具有催化分子間和分子內的糖基轉移作用，反應式如下：

(α-1,4 glucan)m+(α-1,4 glucan)n→(α-1,4 glucan)m-x+ (α-1,4 glucan)n+x(1) (α-1,4 glucan)n→cyclic(α-1,4 glucan)x+(α-1,4 glucan)n-x(2)

在反應式(2)中，麥芽糖轉糖基酶可以把直鏈淀粉環(huán)化成含10～50個葡萄糖殘基的大環(huán)糊精[8-12]。Terada等[10]在E.coli中成功表達了來自Thermus aquaticus ATCC 33923的麥芽糖轉糖基酶基因(MalQ基因)，將獲得的酶作用于直鏈淀粉，證實了該酶能催化分子內的糖基轉移而生成大環(huán)糊精。

本研究從E.coli BL21(DE3)中克隆得到MalQ基因，構建了畢赤酵母分泌型表達菌株，重組菌經(jīng)培養(yǎng)和誘導表達后，提取粗酶液，薄層色譜檢測表明，粗酶液具

有麥芽糖轉糖基酶活性，旨在為利用麥芽糖轉糖基酶來制備大環(huán)糊精及應用該酶生產熱可逆性凝膠提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

宿主菌與質粒：E.coli BL21(DE3)與E.coli DH5α本實驗室保存，畢赤酵母菌株GS115與質粒pPIC9K由南昌大學的黃國俊教授提供。

pfu DNA聚合酶、T4DNA 連接酶、限制性內切酶(Not Ⅰ、EcoRⅠ、SalⅠ) TaKaRa公司(大連)。引物(UP 5＇CGGAATTCATGGAAAGCAAACGTCTGG 3＇，下劃線為EcoRⅠ酶切位點；LP 5＇ATAAGAATGCGGC CGCGCATCAACCGCACTCTACT 3＇，下劃線為Not Ⅰ酶切位點) 上海生工生物工程技術服務有限公司合成。

1.2 儀器與設備

Gene Amp PCR system 2400型 PCR擴增儀 美國PE公司；FR-2000凝膠成像系統(tǒng) 上海夏日科技有限公司；DYY-Ⅲ型穩(wěn)壓電泳儀 北京六一儀器廠；Bio-Rad電轉儀 Bio-Rad公司。

1.3 方法

1.3.1 PCR擴增MalQ基因

根據(jù)GenBank中報道的E.coli BL21(DE3)的MalQ基因序列，用Olige6.0軟件設計帶有與pPIC9K 的MCS上相同酶切位點的引物，并以E.coli BL21(DE3)基因組DNA為模板，擴增MalQ基因。PCR擴增程序：98℃5min；98℃ 10s，60 ℃ 5s，72℃ 2.5min，共30個循環(huán)；72℃ 10min。

1.3.2 pPIC9K-MalQ重組質粒的構建

將PCR產物和pPIC9K質粒用EcoRⅠ及Not Ⅰ雙酶切，瓊脂糖電泳回收純化，用T4DNA ligase進行連接反應，連接產物熱休克轉化菌E.coli DH5α，培養(yǎng)于氨芐青霉素的LB平板上，挑取陽性克隆子，提取質粒，酶切鑒定含有MalQ基因的重組子送上海生工生物工程技術服務有限公司測序。

1.3.3 酵母菌的轉化和高拷貝整合菌株的篩選

在80μL酵母GS115感受態(tài)細胞中加入用SalⅠ線性化的重組質粒DNA 10μL(約5～20μg)，迅速加入冰預冷的0.2cm電擊杯中，在冰上放置5min，根據(jù)所使用裝置推薦的釀酒酵母參數(shù)進行電擊，迅速加入1mL預冷的山梨醇，將內容物轉移至滅菌的1.5mL離心管中，取200μL涂布于MD平板，30℃培養(yǎng)至克隆產生。再將MD平板上生長的陽性克隆分別轉種至G418質量濃度為0.25、0.5、1.0、2.0、4.0g/L的YPD平板上，在高質量濃度YPD-G418平板上生長的菌落為高拷貝整合菌株[13]。

1.3.4 高拷貝整合菌株的PCR鑒定

挑取高拷貝整合單菌落接種于10mL YPD培養(yǎng)基中，30℃培養(yǎng)18h，采用反復凍融法[14]制備酵母PCR模板，用UP和LP引物進行PCR擴增，PCR條件與1.3.1節(jié)相同。

1.3.5 工程菌株的誘導表達

將PCR鑒定為陽性的菌株，接種于25mL BMGY培養(yǎng)基中，28℃、200r/min培養(yǎng)至OD600nm為5～6，4000r/min離心收集菌體，加入20mL BMGY重懸培養(yǎng)，每隔2h加入終體積分數(shù)為1%的甲醇誘導表達。

1.3.6 酶活力測定

采用葡萄糖氧化酶法測定酶活，10μL反應液加入1mL葡萄糖測定試劑盒工作液，37℃水浴15min后，于505nm波長處測定吸光度，參照葡萄糖含量-吸光度標準曲線可求酶活，具體操作見葡萄糖測定試劑盒說明書(上海榮盛生物技術有限公司)。

1.3.7 TLC分析糖基轉移酶活性

取粗酶液100μL加入到900μL 1g/100mL的麥芽二糖溶液中，37℃溫育30min，100℃水浴5min滅酶活，12000r/min離心5min，上清用TLC分析，以正丁醇-乙酸-蒸餾水(體積比5:4:11)為展開劑，濃硫酸-乙醇(體積比1:1)為顯示劑，噴霧顯色劑后，120℃烘烤10min。

2 結果與分析

2.1 PCR擴增MalQ基因

經(jīng)PCR擴增，電泳驗證獲得約2.1kb的基因片段，與目的基因片段大小一致，結果見圖1。

圖1 目的片段PCR擴增結果(目的片段約2.1kb)Fig.1 PCR amplification ofMalQ gene

2.2 pPIC9K-MalQ重組質粒的獲得及電泳驗證

將PCR產物和pPIC9K質粒用EcoRⅠ及Not Ⅰ雙酶切，瓊脂糖電泳回收純化，用T4DNA ligase進行連接反應，連接產物熱休克轉化菌E.coli DH5α，培養(yǎng)于氨芐青霉素的LB平板上。

挑取氨芐青霉素平板上的陽性克隆質粒，雙酶切得到兩條條帶，一條與目的片段大小相符，另一條與質粒pPIC9K分子質量相符，由此可以初步判斷獲得了陽

性重組質粒。將酶切驗證正確的陽性克隆送上海生工測序，測序結果經(jīng)BLAST比對，與GenBank中報道的E.coli BL21(DE3) MalQ基因的同源性為100%。重組質粒雙酶切結果見圖2。

圖2 陽性重組質粒雙酶切分析Fig.2 Restriction enzyme analysis of recombinant plasmid pPIC9KMalQ

2.3 GS115的轉化和高拷貝整合菌株的篩選

SalⅠ線性化的pPIC9K-MalQ質粒轉化GS115感受態(tài)細胞，在MD平板上培養(yǎng)3d，共得到47個His＋轉化菌落，與空載體的轉化效率沒有明顯差別。將pPIC9K-MalQ轉化的His＋菌落、空載體轉化菌和GS115逐個點種至不同質量濃度的YPD-G418平板上，在0.25g/L YPD-G418的平板上所有His＋菌生長無差異，GS115生長緩慢；而當G418質量濃度在0.5、1.0、2.0g/L時，GS115不生長，His＋菌生長速度出現(xiàn)差異；4.0g/L的YPD-G418平板上無His＋菌生長。在2.0g/L的YPD-G418平板上共得到4個生長速度較快的大菌落，估計是高拷貝菌株。

2.4 PCR鑒定高拷貝整合菌株

挑取在2.0g/L YPD-G418平板上生長的4個菌落，經(jīng)原位PCR驗證，均擴增得到分子質量為約2.1kb大小的片段，表明MalQ基因已成功整合到畢赤酵母的染色體中，PCR結果見圖3。

圖3 PCR鑒定目的基因的整合Fig.3 PCR identification of target gene integration

2.5 酶活力測定

一個酶活力單位定義為在如下反應條件中每分鐘產生1 μ mol/L的葡萄糖所需的粗酶液量。于900 μ L 1g/100mL的麥芽二糖溶液中加入100μL粗酶液，37 ℃反應30min，反應結束后沸水浴10min滅活酶，反應產生的葡萄糖采用葡萄糖氧化酶法測定，得粗酶液的酶活為118U。

2.6 麥芽糖轉糖基酶活性分析

用1g/100mL的麥芽糖與粗酶液在37℃反應30min，經(jīng)高速離心處理，上清經(jīng)薄層分析，結果見圖4，可以看出當以麥芽糖為底物時，由基因工程菌誘導表達得到的粗酶液能夠將糖基轉移生成葡萄糖、麥芽三糖、四糖、五糖，證明粗酶液具有麥芽糖轉糖基酶活性。

圖4 薄層分析酶促反應液Fig.4 TLC analysis of enzymatic reaction mixture

3 討 論

麥芽糖轉糖基酶是作用于淀粉生產熱可逆性凝膠和環(huán)狀糊精關鍵酶制劑，在食品、化工及醫(yī)藥行業(yè)具有很好的開發(fā)前景。麥芽糖轉糖基酶具有催化分子內的糖基轉移作用，使直鏈淀粉環(huán)合生成大環(huán)糊精，近年來，越來越多的科學家利用麥芽糖轉糖基酶的這一作用，開展大環(huán)糊精的制備研究。但該酶在微生物和一些植物中的含量很低，直接提取該酶都難以滿足研究和應用的要求，必須通過基因工程技術來表達該酶。一些麥芽糖轉糖基酶基因已在大腸桿菌中得到表達，以大腸桿菌作為宿主表達麥芽糖轉糖基酶，雖然發(fā)酵時間短，表達水平較高，但表達產物通常以包涵體的形式存在[15]，無活性，不利于工業(yè)化生產。本實驗首次采用畢赤酵母表達麥芽糖轉糖基酶，畢赤酵母作為真核生物，不僅具有其他高等真核表達系統(tǒng)的許多優(yōu)點，如蛋白加工、折疊、翻譯后修飾等，且操作時與E.coli及釀酒酵母同樣簡單，通過將麥芽糖轉糖基酶基因插入到含有AOX1基因啟動子和α分泌信號肽的畢赤酵母表達載體pPIC9K中，轉化入表達宿主菌GS115，G418梯度篩選轉化菌，從而得到整合了多拷貝基因的工程菌，甲醇誘導表達，表達產物可以直接分泌到培養(yǎng)液中，經(jīng)薄層色譜分析，證實培養(yǎng)液具有麥芽糖轉糖基酶活性。因畢赤酵母只分泌很少的自身蛋白，所以分泌的外源蛋白

是培養(yǎng)基中蛋白的主要成分，有利于蛋白的純化，比大腸桿菌融合表達的蛋白純化更加方便，因此利用畢赤酵母表達麥芽糖轉糖基酶，為工業(yè)化生產和純化該酶提供了極大的方便，也為大環(huán)糊精的制備打下了基礎。

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Expression and Activity Assay of Amylomaltase in Pichia pastoris

ZHU Guo-qiang，WANG Shui-xing*，HUANG Lan，ZHU Shi-long
(State Key Laboratory of Food Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330047,China)

The gene of MalQ was amplified from genomic DNA of E. coli BL21(DE3) and subcloned intoα secretion signal open reading frame of pPIC9K expression vector to obtain a recombinant plasmid pPIC9K-MalQ. The recombinant plasmid was verified by DNA sequence. The resultant recombinant plasmid bearing MalQ gene was digested by Sal I and transformed into Pichia pastoris strain GS115. The cells with stable expression of amylomaltase were screened in the medium containing G418. The positive clones were induced with methanol to express amylomaltase. The activity of 4-α-glucanotransferase in the crude enzyme was validated through TLC.

amylomaltase；Pichia pastoris；gene recombination

Q786

A

1002-6630(2010)23-0258-04

2010-08-14

朱國強(1984—)，男，碩士研究生，研究方向為分子生物學。E-mail：zhuguo0716@yahoo.com.cn

*通信作者：王水興(1965—)，男，副教授，博士，研究方向為食品生物技術。E-mail：shuixingw@yahoo.com.cn