殼聚糖固定化S-腺苷甲硫氨酸合成酶

尹春麗， 陶貴榮， 許 樂， 牛衛(wèi)寧*

（1.西安文理學院 生命科學系，陜西 西安710065；2.西北工業(yè)大學 生命學院，陜西 西安 710072）

S-腺苷甲硫氨酸合成酶 （S-adenosylmethionine synthetase）在體內催化三磷酸腺苷和L-甲硫氨酸合成 S-腺苷甲硫氨酸 （S-adenosylmethionine，SAM）[1]，在歐美國家SAM已作為食品營養(yǎng)強化劑、保健品以及藥品而得到廣泛應用[2]，但SAM售價昂貴。因此，建立廉價高效的SAM生產方法是其大規(guī)模推廣應用的關鍵。目前，SAM的生產方法主要為酵母菌發(fā)酵法，菌種主要包括野生或者誘變的釀酒酵母，以及經(jīng)過遺傳改造的重組畢赤酵母，盡管發(fā)酵法SAM產量可以超過10 g/L[3-4]，但存在生產周期長、底物轉化率低、純化工藝復雜、能耗高等不足[5]。體外酶促轉化法克服了發(fā)酵法的不足，同時生產成本較低，因而是較為有效的工業(yè)化生產方法。許多研究者對來源于釀酒酵母以及大腸桿菌的重組SAM合成酶的催化特性進行了研究，但是存在SAM合成酶活性低、游離酶酶穩(wěn)定性差，以及無法回收重復利用的問題[6-8]。作者所在研究組前期構建了高效組成型表達SAM合成酶的重組大腸桿菌E.Coli JM109（pBR322-SAMS），重組菌SAM合成酶活性比原始菌提高了157倍，并對其酶學性質進行了研究[9-10]。

與游離酶相比，固定化酶能大大提高催化反應過程中酶的穩(wěn)定性。同時，固定化酶與反應液可以通過離心或過濾等簡單方式加以分離，有利于酶的多次重復使用及反應產物的純化，更適于在工業(yè)生產中使用。Luo等[11]將來源于釀酒酵母的SAM合成酶通過親和層析固定在Ni離子螯和柱上，經(jīng)過3次連續(xù)反應，固定化酶活力回收率僅為39.5%，該研究使用的固定化樹脂昂貴，不利于大規(guī)模生產，而且固定化酶的活性回收率以及穩(wěn)定性并不理想。作者所在研究組通過海藻酸鈉包埋法固定化腺苷蛋氨酸合成酶，但是固定化酶活性回收率僅有42%，并且存在固定化酶在反應過程中強度不高以及酶容易流失等問題[12]。殼聚糖是一種富含氨基的天然高分子化合物，因其生物相容性、較好的機械性能、穩(wěn)定的化學性質而成為固定化酶的優(yōu)良載體，通過戊二醛交聯(lián)形成化學鍵將酶固定在殼聚糖微球上，可以防止催化過程中酶的流失。另外，作者所在研究組通過全細胞催化和固定化酶催化合成SAM的技術方法已經(jīng)獲得了專利授權[13]。

作者以殼聚糖為載體、戊二醛為交聯(lián)劑，對SAM合成酶進行固定化，分別對酶固定化條件以及固定化酶的性質進行了研究，為工業(yè)化應用固定化酶高效生產SAM奠定了基礎。

1 材料與方法

1.1 菌種和試劑

重組大腸桿菌菌株 E.coli JM109（pBR322-SAMS）為作者所在實驗室構建并保存[14]，Phenyl-Sepharose Fast Flow預裝柱購于GE公司，SAM標準品購于 Sigma公司，殼聚糖（相對分子質量 6×105Da，脫乙酰度大于80%）購于國藥集團化學試劑有限公司，其余試劑均為國產或進口分析純。

1.2 方法

1.2.1 重組SAM合成酶的表達和粗酶液制備 將重組菌 E.coliJM109（pBR322-SAMS）接種到 1 L含有15 μg/mL四環(huán)素的LB培養(yǎng)基中，30℃220 r/min培養(yǎng)12～16 h，然后離心收獲菌體備用。重組SAM合成酶的純化主要參照文獻[12]進行，純化過程如下：離心1 L培養(yǎng)液收集細胞，然后用40 mL裂解液 （100 mmol/L Tris-HCl，2 mmol/L EDTA-Na2，pH 8.0）在冰水浴中超聲 （300 W，超聲 3 s，間隔 5 s）處理12 min破碎細胞，破碎液加入 （NH4）2SO4固體粉末至終濃度為0.75 mol/L，10 000 r/min離心20 min，上清液通過0.22 μm的濾膜過濾備用。將上述酶液加入經(jīng) Buffer A （Tris-HCl 50 mmol/L，（NH4）2SO40.75 mol/L，pH 8.0）預平衡的 Phenyl-Sepharose Fast Flow柱，然后使用 Buffer B（Tris-HCl 50 mmol/L，pH 8.0）洗脫，收集酶液用于固定化酶制備。

1.2.2 SAM合成酶固定化方法 稱取一定質量的殼聚糖充分溶解于100 mL φ（乙酸）=2%的水溶液中，使用6號針頭注射器將該溶液逐滴加入到2 mol/L的NaOH水溶液中，殼聚糖溶液凝聚成直徑約為2 mm的白色微球，過濾收集并用蒸餾水洗滌至中性，然后在殼聚糖微球中加入不同體積分數(shù)的戊二醛水溶液，室溫振蕩交聯(lián)5 h后用Tris-HCl緩沖液 （pH 8.0）洗滌交聯(lián)載體，然后加入適量的SAM合成酶液于4℃吸附交聯(lián)12 h，洗凈抽濾干燥后得到固定化酶，固定化酶密封保存于4℃。固定化酶的活力與固定化時所加游離酶總活力的比值即為固定化酶的活力回收率。

1.2.3 酶活性測定方法 固定化酶以及游離酶活性測定參照文獻[10]方法進行，使用SAM標準品制作色譜峰峰面積和SAM質量濃度之間的標準曲線，計算樣品中SAM的質量濃度。酶活力單位定義為：37℃，1 h催化形成1 μmol SAM所需要的酶量為1個活力單位（1 U）。

1.2.4 固定化酶催化合成SAM 用天平稱取經(jīng)抽濾干燥的1 g固定化酶加到10 mL SAM合成反應液 （100 mmol/L Tris、100 mmol/L KCl、70 mmol/L MgSO4、40 mmol/L L-Met、30 mmol/L ATP、0.8 mol/L對甲基苯磺酸鈉，pH 7.0）中，35℃振蕩反應8 h，收集上清液進行HPLC分析。每次反應后，將固定化酶過濾洗滌后重復使用。

2 結果與討論

2.1 固定化條件的優(yōu)化

通過重組大腸桿菌組成型表達SAM合成酶，然后經(jīng)過硫酸銨沉淀和疏水層析純化得到單位酶活為22 U/mg的SAM合成酶，結果如圖1所示，并將其用于后續(xù)的固定化酶研究。

2.1.1 殼聚糖微球的制備 殼聚糖溶液濃度能顯著影響殼聚糖成球性能。研究中首先考察了質量濃度為1～5 g/dL殼聚糖溶液在2 mol/L的NaOH凝結液中的成球情況，結果表明：當殼聚糖質量小于2 g/dL的時候，殼聚糖黏度較小，成球容易，但是小球機械強度較差，在合成SAM的反應液中易溶脹和破碎；當殼聚糖質量濃度大于3 g/dL的時候，殼聚糖溶液成球困難。因此采用質量濃度為2.5 g/dL殼聚糖溶液來制備殼聚糖微球。

2.1.2 戊二醛濃度對酶固定化的影響 平行取0.5 g殼聚糖微球，然后分別加入不同濃度的戊二醛水溶液5 mL，于室溫振蕩交聯(lián)5 h，抽濾洗滌。然后加入2 mL SAM酶液（2 mg/mL）于4℃交聯(lián)12 h，洗凈抽濾后得到固定化酶，測定固定化酶的活力。結果如圖2所示，當戊二醛體積分數(shù)為0.8%時，酶活力達到最大。當戊二醛含量較低時，載體表面偶聯(lián)的醛基不足，最終固定的酶量較少，導致固定化酶活性較低；當戊二醛含量過高時，可導致蛋白質變性，同時載體結合過多的酶也增加了酶的空間位阻，使固定化酶的活力下降。由此可以確定戊二醛最佳體積分數(shù)為0.8%。

圖1 SAM合成酶純化結果的SDS-PAGE分析Fig.1 SDS-PAGE analysis of SAM synthetase purification

圖2 戊二醛體積分數(shù)對固定化酶的影響Fig.2 Effect of the concentration of glutaraldehyde on the immobilized enzyme

2.1.3 酶與載體配比對固定化的影響 平行取0.5 g殼聚糖微球與φ（戊二醛）=0.8%的水溶液交聯(lián)制備的載體，各加入不同量的酶液進行固定化，測定固定化酶活力，結果如圖3所示。隨著給酶量的增加，固定化酶活力逐漸增加。當酶量增加到6 mg/mL時，固定化酶活力達到最大值。繼續(xù)增加酶量，固定化酶活力不再增加，并且有略微下降的趨勢，這是由于載體的結合位點已經(jīng)達到飽和。因此確定1 mL凝膠添加6 mg SAM合成酶為最佳。

圖3 酶與凝膠配比對固定化酶的影響Fig.3 Effect of enzyme/chitosan gel ratio on the immobilized enzyme

2.1.4 交聯(lián)時間對酶固定化的影響 為了減少酶交聯(lián)過程中活性的損失，載體和酶的交聯(lián)反應在4℃下進行。交聯(lián)時間對固定化酶活力的影響如圖4所示。固定化酶活力隨著酶交聯(lián)時間增加而增大，12 h達到最高后則略微下降，酶交聯(lián)時間越長越有利于酶分子固定在載體上，但當載體偶聯(lián)的酶過多時，可能使載體孔徑相應變小，導致底物和產物的傳質性降低，從而使酶活力下降。

圖4 酶交聯(lián)時間對固定化酶活力的影響Fig.4 Effect of cross-linking time on the immobilized enzyme

在以上優(yōu)化條件下，所得固定化酶活性回收率為76%。

2.2 固定化SAM合成酶的性質

2.2.1 固定化酶的熱穩(wěn)定性 將固定化酶和游離酶分別在不同溫度下保溫5 h后測定殘留酶活力，分別以未經(jīng)過熱處理的固定化酶和游離酶的酶活力為100%，結果如圖5所示。固定化酶的熱穩(wěn)定性比游離酶明顯提高，固定化酶在55℃下保溫5 h后仍保持了53%的活力，而游離酶在50℃下保溫5 h，活力完全喪失。另外，作者所在研究組前期通過海藻酸鈉包埋法制備了固定化SAM合成酶，在55℃下保溫5 h后保持了32%的活力[12]，因此通過殼聚糖交聯(lián)法制備的固定化酶熱穩(wěn)定性高于海藻酸鈉包埋法制備的固定化酶。這可能是由于SAM合成酶被戊二醛交聯(lián)固定化后增加了酶分子的穩(wěn)定性，使分子整體運動受限，酶的熱穩(wěn)定性也隨之增加。

圖5 固定化和游離SAM合成酶的熱穩(wěn)定性Fig.5 Thermal stability of immobilized and free SAM synthetase

2.2.2 pH對固定化酶活力的影響 將固定化酶和游離酶置于pH 6～9.5的緩沖液中4℃放置10 h測定酶活性，結果如圖6所示，在更廣泛的pH范圍內固定化酶比游離酶的穩(wěn)定性增強，特別是在pH＞7.5的堿性條件下固定化酶的穩(wěn)定性得到大幅度提高。在pH 7.5～9.0的緩沖液中4℃保溫10 h酶活性仍保留80%以上，可能是酶經(jīng)過交聯(lián)后被固定在凝膠結構中，使外界因素對酶的影響減弱。但是固定化酶和游離酶在酸性條件下的穩(wěn)定性較差，因此在溶液狀態(tài)下保存SAM合成酶需要選擇堿性緩沖液系統(tǒng)。

圖6 pH對固定化和游離SAM合成酶穩(wěn)定性的影響Fig.6 Effects of pH on the immobilized and free SAM synthetase

2.2.3 固定化酶的操作穩(wěn)定性 將1 g固定化酶與10 mL反應液在35℃下連續(xù)反應5批次，每次反應時間為8 h，每次反應后分別測定殘余酶活力，以第1批次反應交聯(lián)固定化酶的總活力為100%，計算相對酶活力，結果如圖7所示。在第1批次反應后固定化酶活力有一定程度的下降，殘余酶活為91%，連續(xù)反應5批次后酶活力仍然保持64%，固定化酶活性的降低可能是載體表面部分酶分子的脫落以及部分固定化酶變性失活所致。同時經(jīng)過5批次反應后，固定化酶的形態(tài)沒有明顯變化。在底物三磷酸腺苷（ATP）濃度為30 mmol/L的條件下，固定化酶催化底物ATP的轉化率仍超過95%，說明固定化SAM合成酶具有較好的操作穩(wěn)定性以及催化活性。

圖7 固定化酶的重復使用性Fig.7 Repeated usability of the immobilized enzyme

2.2.4 固定化酶的貯存穩(wěn)定性 分別將抽濾的固定化酶和游離酶（pH 7.5）置于4℃冰箱中，貯存15 d后測殘余酶活，游離酶活性僅殘余17%，而固定化酶保存了78%的酶活性，說明固定化酶有較好的貯存穩(wěn)定性。用于固定化的SAM合成酶是經(jīng)過一步純化的粗酶，所以游離酶溶液中含有各種蛋白酶，在溶液長期貯存過程中容易降解，而通過戊二醛交聯(lián)的固定化酶蛋白空間構象受到限制，所以穩(wěn)定性較高。

3 結語

殼聚糖是最常用的天然高分子固定化酶載體，通過戊二醛交聯(lián)將酶固定在殼聚糖微球上，大大提高了SAM合成酶的穩(wěn)定性。研究結果表明，最佳固定化條件為：殼聚糖質量濃度為2.5 g/dL、戊二醛體積分數(shù)為0.8%、固定化酶量為6 mg/mL、固定化時間為12 h。固定化酶熱穩(wěn)定性得到大幅度提高，同時固定化酶具有較好的強度和操作穩(wěn)定性，將固定化酶用于SAM的催化合成，連續(xù)反應5批次后，酶活性仍保留64%，固定化酶催化底物ATP的轉化率超過95%。研究成果為固定化酶法生產SAM奠定了基礎。

[1]Grillo M A，Colombatto S.S-adenosylmethionine and its products[J].Amino Acids，2008，34：187-193.

[2]Bottiglieri T.S-adenosyl-L-methionine （SAMe）：from the bench to the bedside—molecular basis of a pleiotrophic molecule[J].Am J Clin Nutri，2002，76（5）：1151-1157.

[3]HE Jun-yun，DENG Juan-juan，ZHENG Ying-hua，et al.A synergistic effect on the production of S-adenosyl-L-methionine in Pichia pastoris by knocking in of S-adenosyl-L-methionine synthase and knocking out of cystathionine-β-synthase[J].J Biotechnol，2006，126：519-527.

[4]ZHANG Jian-guo，WANG Xue-dong，ZHENG Yu，et al.Enhancing yield of S-adenosylmethionine in Pichia pastoris by controlling NH4+concentration[J].Bioprocess Biosyst Eng，2008，31：63-67.

[5]牛衛(wèi)寧，左曉佳，王莉衡，等.S-腺苷甲硫氨酸制備方法的研究進展[J].化學與生物工程，2009，26（3）：1-5.NIU Wei-ning，ZUO Xiao-jia，WANG Li-heng，et al.Development for the preparation of S-adenosylmethionine[J].Chemistry&Bioengineering，2009，26（3）：1-5.（in Chinese）

[6]關晶華，許曉，陳新玲，等.重組腺苷蛋氨酸合成酶酶促反應條件的研究[J].中國醫(yī)藥導報，2009，16（6）：28-30.GUAN Jing-hua，XU Xiao，CHEN Xin-ling，et al.Study on enzyme catalysis conditios of recombinant S-adenosylmethionine synthetase[J].China Medical Herald，2009，16（6）：28-30.（in Chinese）

[7]羅赟星，袁中一，羅貴民，等.S-腺苷甲硫氨酸合成酶反應條件的優(yōu)化[J].工業(yè)微生物，2008，32（2）：6-10.LUO Yun-xing，YUAN Zhong-yi，LUO Gui-ming，et al.Optimization on catalysis conditions for S-adenosylmethionine synthetase[J].Industrial Microbiology，2008，32（2）：6-10.（in Chinese）

[8]Park J，TAI Jun-zhe，Roessner C A，et al.Enzymatic synthesis of S-adenosyl-L-methionine on the preparative scale[J].Bioorg Med Chem，1996，4（12）：2179-2185.

[9]牛衛(wèi)寧，左曉佳，尚曉婭，等.固定化 E.Coli JM109（pBR322-MAT）細胞催化合成 S-腺苷蛋氨酸[J].現(xiàn)代化工，2009，29（3）：38-41.NIU Wei-ning，ZUO Xiao-jia，SHANG Xiao-ya，et al.Biosynthesis of S-adenosylmethionine by immobilized whole cell of E.Coli JM109（pBR322-MAT）[J].Modern Chemical Industry，2009，29（3）：38-41.（in Chinese）

[10]田林奇，牛衛(wèi)寧，左曉佳，等.S-腺苷甲硫氨酸合成酶的組成型表達、產物純化及鑒定[J].中國生物工程雜志，2010，20（3）：61-66.TIAN Lin-qi，NIU Wei-ning，ZUO Xiao-jia，etal.Constitutive expression，purification and identification ofSAdenosylmethionine synthetase[J].China Biotechnology，2010，20（3）：61-66.（in Chinese）

[11]LUO Yun-xing，YUAN Zhong-yi，LUO Gui-min，et al.Expression of secreted His-tagged S-adenosylmethionine synthetase in the methylotrophic yeast Pichia pastoris and its characterization，one-step purification，and immobilization[J].Biotech Prog，2008，24：214-220.

[12]尹春麗，曹珊珊，牛衛(wèi)寧.海藻酸鈉固定化S-腺苷甲硫氨酸合成酶的制備及其性質研究[J].化學與生物工程，2012，29（10）：21-24.YIN Chun-li，CAO Shan-shan，NIU Wei-ning.Preparation and propertiesofsodium Alginate-Immobilized SAdenosylmethionine synthetase[J].Chemistry&Bioengineering，2012，29（10）：21-24.（in Chinese）

[13]牛衛(wèi)寧.一種制備固定化腺苷甲硫氨酸合成酶和腺苷甲硫氨酸的方法：中國，ZL 201010545201.1[P].2012-07-04.

[14]牛衛(wèi)寧，左曉佳，丁焰，等.重組大腸桿菌全細胞催化合成S-腺苷甲硫氨酸[J].精細化工，2009，26（3）：288-292.NIU Wei-ning，ZUO Xiao-jia，DING Yan，et al.Biosynthesis of S-adenosylmethionine by whole cell of recombinant E.coli.[J].Fine Chemicals，2009，26（3）：288-292.（in Chinese）