水生棲熱菌漆酶TaLac的性質(zhì)分析及對(duì)孔雀石綠染料的脫除

毛國(guó)濤 王杰 王凱 王方園 曹樂(lè)言 張宏森 宋安東

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，鄭州 450002）

漆酶（laccase，EC 1.10.3.2）屬于藍(lán)色多銅氧化酶家族，可氧化多種酚類和非酚類化合物，同時(shí)將氧氣還原為水，無(wú)其他副產(chǎn)物的生成［1-2］。漆酶含有保守的組氨酸殘基，結(jié)合4個(gè)銅原子，參與底物的氧化［2-3］。由于其底物的寬泛性和綠色催化特性，漆酶被廣泛應(yīng)用于紙漿的漂白、生物質(zhì)的預(yù)處理、酚類污染物的降解以及合成染料的脫色和脫毒等方面［3-5］。孔雀石綠（malachite green，MG）是一種人工合成的三苯甲烷類化合物，廣泛應(yīng)用于紡織品、皮革、紙張等的染色，以及魚(yú)類真菌、寄生蟲(chóng)等感染的防治［6］。但MG具有致畸、致癌、致突變等毒害作用，MG的濫用和排放嚴(yán)重威脅人類健康［7］。研究表明漆酶可有效降解MG，使MG脫色，顯著降低MG對(duì)微生物、植物和動(dòng)物等的毒害作用［8-10］。

漆酶廣泛存在于植物、動(dòng)物、細(xì)菌和真菌中，其中細(xì)菌漆酶因其易重組表達(dá)、良好的溫度耐受性而受到越來(lái)越多的研究［3］。2006年，一個(gè)新的細(xì)菌漆酶家族DUF152被鑒定出來(lái)［11］。該家族漆酶的分子量約為30 kD，遠(yuǎn)小于經(jīng)典漆酶（60-100 kD）；且DUF152家族漆酶中不含有保守的經(jīng)典漆酶銅原子結(jié)合位點(diǎn)［11］。但 DUF152 家族漆酶對(duì) 2，2′-聯(lián)氮雙（3-乙基苯并噻唑啉 -6-磺酸）（2，2′-azinobis（3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid），ABTS）、2，6-二甲基苯酚（2，6-dimethylphenol，DMP）等經(jīng)典漆酶底物具有催化活性［11-13］。已鑒定DUF152家族漆酶RL5、Tfu1115、LaclK均具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，且能夠降解多種合成染料如乙基紫、堿性藍(lán)B和亞甲基藍(lán)［11-13］。DUF152家族漆酶對(duì)MG的脫色和脫毒性質(zhì)仍待進(jìn)一步探究。本研究通過(guò)在大腸桿菌過(guò)量表達(dá)來(lái)源于水生棲熱菌（Thermus aquaticus）的DUF152家族漆酶TaLac，利用Ni親和層析法純化得到高純度的TaLac蛋白，表征TaLac的最適pH、最適溫度等酶學(xué)性質(zhì)，探究TaLac對(duì)MG脫色和脫毒的能力，為構(gòu)建MG污染水體的生物修復(fù)體系提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 質(zhì)粒與菌株 表達(dá)載體pET-28a（+）、大腸桿菌BL21（DE3）為河南農(nóng)業(yè)大學(xué)能源微生物實(shí)驗(yàn)室保存。

1.1.2 主要試劑 酵母提取物和胰蛋白胨購(gòu)于英國(guó)OXID公司；卡那霉素、異丙基-β-D-硫代半乳糖苷（isopropyl-β-D-Thiogalactoside，IPTG）、NaH2PO4、Na2HPO4、咪唑、醋酸、NaNO3和三（羥甲基）氨基甲烷（Tris）均購(gòu)于索萊寶（北京）科技有限公司，分析純；Ni親和介質(zhì)購(gòu)于德國(guó)Qiagen公司；限制性內(nèi)切酶Nde I和Xho I購(gòu)自美國(guó)NEB公司；ABTS、DMP、愈創(chuàng)木酚（guaiacol）、L-多巴胺（L-dopamine，DPA）和丁香醛連氮（syringaldazine，SGZ）等購(gòu)自Sigma公司。

1.2 方法

1.2.1 TaLac的生物信息學(xué)分析 用ExPASy在線服務(wù)器ProtParam（https://web.expasy.org/protparam/）工具分析TaLac蛋白的基本性質(zhì)；利用Clustal Omega對(duì)TaLac與同源蛋白進(jìn)行序列比對(duì)［14］；利用Swiss Model預(yù)測(cè) TaLac的三級(jí)結(jié)構(gòu)［15］。

1.2.2 重組表達(dá)載體pET28a-TaLac的構(gòu)建 編碼TaLac（WP_003046852.1）蛋白的基因經(jīng)南京金斯瑞生物科技有限公司優(yōu)化后合成。以5′-AATCTCACCA TGGGCATGGTTCCGCTGCTGACC-3′和 5′-AATCTCA CTCGAGGCCGTGGCTCAGCGCCAGC-3′為引物擴(kuò)增TaLac基因，利用Nco I和Xho I限制性內(nèi)切酶處理后，連接至pET-28a（+），構(gòu)建重組表達(dá)載體pET28a-TaLac。TaLac基因經(jīng)DNA測(cè)序進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2.3 TaLac的重組表達(dá)及純化 pET28a-TaLac轉(zhuǎn)化至BL21（DE3），挑取單克隆在含有25 mg/L卡那霉素的LB培養(yǎng)基中37℃震蕩培養(yǎng)至OD600為0.8時(shí)，加入0.5 mmol/L的IPTG于16℃震蕩培養(yǎng)12 h。離心收集菌體，使用裂解緩沖液（20 mmol/L磷酸鹽緩沖液，pH 7.4）重懸菌體，經(jīng)高壓破碎后，14 000×g離心30 min，收取上清。上清液流穿Ni親和層析柱，洗雜緩沖液（20 mmol/L磷酸鹽緩沖液，40 mmol/L咪唑，pH 7.4）流穿Ni親和層析柱，洗脫緩沖液（20 mmol/L磷酸鹽緩沖液，300 mmol/L咪唑，pH 7.4）流穿Ni親和層析柱洗脫TaLac蛋白，利用截留值為10 kD的超濾管（美國(guó)Millipore公司）進(jìn)行脫鹽濃縮。通過(guò)SDS-PAGE分析TaLac的純度，利用Bradford法測(cè)TaLac的蛋白濃度，TaLac蛋白分裝凍存于超低溫冰箱。

1.2.4 TaLac酶活力的測(cè)定 采用DMP對(duì)TaLac的活力進(jìn)行測(cè)定。總體積為0.2 mL的反應(yīng)體系中含有20 mmol/L乙酸-乙酸鈉緩沖液（pH 4.0）、1 mmol/L CuSO4、1 mmol/L DMP和適量的TaLac，于60℃反應(yīng)10 min，測(cè)定其在468 nm波長(zhǎng)處的吸光值［ε420=148 000 L/（mol·cm）］，計(jì)算 TaLac的酶活力。1 min內(nèi)氧化1 μmol 底物所需的酶量定義為1個(gè)酶活力單位（U）。

1.2.5 溫度和pH對(duì)TaLac酶活力的影響 在乙酸-乙酸鈉緩沖液（pH 3.0-6.0）、Tris-HCl緩沖液（pH 7.0-9.0）等緩沖液條件下，以DMP為底物，于60℃測(cè)定TaLac的酶活力，以得到的最高酶活力處的pH為TaLac的最適pH。

在乙酸-乙酸鈉緩沖液（pH 4.0）條件下，以DMP為底物，于30-80℃測(cè)定TaLac的酶活力，以得到最高酶活力處的溫度為TaLac的最適溫度。

分別將TaLac在50和60℃條件孵育一定時(shí)間后，以DMP為底物測(cè)定TaLac的殘余酶活力。以未經(jīng)熱處理TaLac的酶活力為100%。

1.2.6 金屬離子對(duì)TaLac酶活力的影響 在20 mmol/L乙酸-乙酸鈉緩沖液（pH 4.0）中，分別添加不同濃度的CuSO4，以DMP為底物，于60℃測(cè)定TaLac的酶活力，確定Cu2+對(duì)TaLac的酶活力的影響。

在20 mmol/L乙酸-乙酸鈉緩沖液（pH 4.0）、1 mmol/L CuSO4緩沖液中，分別添加10 mmol/L MgCl2、CaCl2、MnCl2、ZnCl2、BaCl2和 1 mmol/L EDTA，以DMP為底物，于60℃測(cè)定TaLac的酶活力，確定不同金屬離子對(duì)TaLac的酶活力的影響。以不添加其他金屬離子和EDTA時(shí)TaLac的酶活力為對(duì)照（Ctrl）。

1.2.7 TaLac動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定 于60℃測(cè)定TaLac在0.1-5.0 mmol/L DMP條件下的酶促反應(yīng)速率，利用GraphPad Prism8軟件計(jì)算動(dòng)力學(xué)參數(shù)Km和kcat。

1.2.8 TaLac的底物特異性 在20 mmol/L乙酸-乙酸鈉緩沖液（pH 4.0）、1 mmol/L CuSO4緩沖液條件下，于60℃測(cè)定TaLac對(duì)ABTS［ε420=38 000 L/（mol·cm）］、SGZ［ε530=64 000 L/（mol·cm）］、guaiacol［ε470=26 600 L/（mol·cm）］和 DPA［ε300=2 835 L/（mol·cm）］的酶活力。

1.2.9 TaLac對(duì)MG的脫色 在20 mmol/L乙酸-乙酸鈉緩沖液（pH 4.0）、1 mmol/L CuSO4緩沖液中，加入0.8 mg/L TaLac和50 mg/L MG染料，分別在添加ABTS和不添加0.1 mmol/L ABTS的情況下，于60℃反應(yīng)一定時(shí)間后，測(cè)定反應(yīng)體系在617 nm處的吸收值。以未添加酶液的反應(yīng)體系為對(duì)照，計(jì)算TaLac對(duì)MG的脫色率：脫色率（%）=（A0-A）/A0×100%，其中A0為未添加酶液反應(yīng)體系的OD值，A為添加酶液反應(yīng)體系的OD值。

1.2.10 MG的脫色產(chǎn)物的毒性評(píng)價(jià) 50 mg/L MG經(jīng)TaLac于60℃處理3 h后，pH調(diào)整為7.0以減少對(duì)玉米萌發(fā)的影響。將玉米種子分別置于含有ddH2O（對(duì)照組）、未經(jīng)TaLac處理的MG以及經(jīng)TaLac處理后的MG脫色產(chǎn)物的保溫盒中，于25℃下避光培養(yǎng)5 d，記錄玉米種子發(fā)芽情況，測(cè)定胚芽和胚根的長(zhǎng)度。

1.2.11 數(shù)據(jù)分析 文中相關(guān)實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次，相應(yīng)數(shù)值使用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，使用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果

2.1 TaLac的生物信息學(xué)分析

TaLac具有244個(gè)氨基酸殘基，理論分子質(zhì)量為26.1 kD，理論等電點(diǎn)為7.1。序列比對(duì)結(jié)果（圖1-A）顯示，TaLac與已研究DUF152家族成員RL5、Tfu1114和LaclK的序列一致性分別為27.6%、36.5%和23.5%。TaLac具有DUF152家族保守的氨基酸殘基，如可能的銅原子結(jié)合位點(diǎn)H66、C100和H116（圖1-A）。TaLac的結(jié)構(gòu)模型顯示，TaLac與結(jié)構(gòu)已解析的DUF152家族成員GsYlmD具有相似的三級(jí)結(jié)構(gòu)（圖1-B）。

2.2 TaLac的克隆、表達(dá)及純化

重組質(zhì)粒pET28a-TaLac表達(dá)的TaLac蛋白C末端帶有6×His標(biāo)簽，可利用Ni親和層析法進(jìn)行純化（圖2）。TaLac在BL21（DE3）中呈可溶性表達(dá)形式。在SDS-PAGE顯示，純化后的TaLac蛋白處于25-30 kD之間（圖2-B）。TaLac經(jīng)Ni親和層析法純化后純度可達(dá)到95%以上，滿足后續(xù)酶活性分析要求。

圖2 TaLac的克隆及純化Fig.2 Cloning and purification of TaLac

2.3 TaLac的酶學(xué)性質(zhì)

2.3.1 溫度和pH對(duì)TaLac活力的影響 TaLac可氧化漆酶的經(jīng)典底物DMP。以DMP為底物，測(cè)定TaLac催化的最適條件。結(jié)果（圖3-A、B）表明，TaLac的最適pH為5.0，最適溫度為60℃。TaLac在50℃和60℃分別處理4 h后，仍保留原始活力的80%和52%（圖3-C）。

圖3 pH和溫度對(duì)TaLac活力的影響Fig.3 Effects of pH and temperature on the activity of TaLac

2.3.2 TaLac的動(dòng)力學(xué)和底物特異性分析 以DMP為底物，最適條件下測(cè)得TaLac的動(dòng)力學(xué)參數(shù)Km為0.74 mmol/L，kcat為1.61/min（圖4-A）。除了可以氧化DMP外，TaLac還可以DPA和愈創(chuàng)木酚為底物；但TaLac不能催化以ABTS和SGZ為底物的氧化反應(yīng)（圖4-B）。

圖4 TaLac的底物特異性（A）和對(duì)DMP的動(dòng)力學(xué)參數(shù)（B）Fig.4 Substrate specificity of TaLac（A）and kinetic parameters against DMP（B）

2.3.3 金屬離子對(duì)TaLac活力的影響 在體系中沒(méi)有Cu2+時(shí)，TaLac完全失去催化活性；在1、2和5 mmol/L Cu2+條件下，TaLac能夠發(fā)揮最大酶活力；當(dāng)Cu2+濃度升高至10 mmol/L時(shí)，TaLac部分活性被抑制（圖5）。當(dāng)EDTA螯合去除溶液中Cu2+后，TaLac失去催化活力（圖6）。

圖5 TaLac活力對(duì)Cu2+的依賴Fig.5 Dependence of TaLac activity on Cu2+

如圖6所示，在10 mmol/L二價(jià)金屬離子Mg2+、Ca2+、Mn2+和Ba2+的作用下，TaLac的活力提高至原有活力的120%-135%，說(shuō)明這些金屬離子可以提高TaLac的活力；而在10 mmol/L Zn2+的影響下，TaLac可發(fā)揮92%的酶活力。

圖6 金屬離子對(duì)TaLac活力的影響Fig.6 Effects of metal ions on the activity of TaLac

2.4 TaLac對(duì)MG的脫除

2.4.1 ABTS對(duì)TaLac脫除MG的影響 由圖7可知，在無(wú)介體輔助的情況下，TaLac在4 h對(duì)50 mg/L MG的脫色率可達(dá)67%。而在ABTS介體的作用下，TaLac在0.5 h時(shí)對(duì)MG的脫色率為58%，2 h時(shí)脫色率達(dá)到90%，在3 h即可對(duì)MG完全脫色。

圖7 TaLac催化MG的脫色Fig.7 Decolorization of MG catalyzed by TaLac

2.4.2 MG脫色產(chǎn)物的毒性評(píng)價(jià) 利用玉米萌發(fā)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)TaLac脫除MG后產(chǎn)物的毒性。如表1所示，未經(jīng)TaLac處理的50 mg/L MG組的玉米發(fā)芽率、胚芽長(zhǎng)度和胚根長(zhǎng)度顯著低于對(duì)照組。經(jīng)TaLac處理的MG脫色產(chǎn)物組玉米的發(fā)育率為100%、胚芽長(zhǎng)度為1.55 cm、根長(zhǎng)為5.25 cm，與對(duì)照組相比無(wú)顯著差異（表1）。

表1 MG及其脫色產(chǎn)物的植物毒性實(shí)驗(yàn)Table 1 Phytotoxicity test of MG and MG decolorized products

3 討論

印染行業(yè)是我國(guó)的傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)，我國(guó)每年染料的生產(chǎn)量可達(dá)90余萬(wàn)t［16］。由于染料利用效率低下，致使超過(guò)11%的染料被排入印染廢水中［17］。由于染料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、色度高、毒害作用大，導(dǎo)致印染廢水難以處理。印染廢水的肆意排放，會(huì)嚴(yán)重抑制水體生物的生長(zhǎng)發(fā)育；并且，有毒有害染料在水產(chǎn)及農(nóng)作物中的富集，嚴(yán)重威脅人體的健康［7，18-20］。漆酶可有效降解染料，降低其毒害作用，在印染廢水的綠色處理中具有巨大的應(yīng)用潛力。因此，新型漆酶的挖掘及鑒定具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

本研究在嗜熱菌水生棲熱菌中挖掘到DUF152家族成員TaLac，該蛋白分子量為26.1 kD，與已鑒定DUF152家族漆酶成員大小相當(dāng)，均遠(yuǎn)小于經(jīng)典漆酶的分子量［11-13］。TaLac與已鑒定DUF152家族漆酶的同源性在23%-36%，具有家族內(nèi)保守的銅原子結(jié)合位點(diǎn)和相似的高級(jí)結(jié)構(gòu)，極有可能是具有催化活性的DUF152家族漆酶。

TaLac在大腸桿菌中過(guò)量表達(dá)，利用Ni離子親和層析1步純化即可得到高純度的TaLac蛋白。TaLac可氧化愈創(chuàng)木酚、DPA和DMP，驗(yàn)證了生物信息學(xué)的分析結(jié)果；而同家族的LaclK只能夠氧化DPA和DMP，不能夠催化愈創(chuàng)木酚的氧化反應(yīng)［13］。TaLac對(duì)DMP底物的動(dòng)力學(xué)參數(shù)Km為0.74 mmol/L，與同家族的LalK（0.46 mmol/L）、Tfu1114（1 mmol/L）相當(dāng)［12-13］。來(lái)源于嗜熱菌的TaLac具有較好的熱穩(wěn)定性，在50℃孵育4 h后，活性保留80%；60℃孵育4 h后，活性保留52%。不同來(lái)源漆酶的熱穩(wěn)定性差異較大。一色齒毛菌（Cerrena unicolor）漆酶LacT-1在50℃處理1 h后僅保留40%活性，60℃處理1 h后失去全部活性［21］。地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）ANSB821漆酶CotA分別在50和60℃熱處理2 h后，活力僅剩余40%和30%［22］。TaLac良好的熱穩(wěn)定性與其水生棲熱菌的來(lái)源相關(guān)。水生棲熱菌來(lái)源的Taq DNA聚合酶、3-磷酸甘油醛脫氫酶等均具有極高的耐熱性［23-24］。

10 mmol/L Zn2+僅使TaLac活力降低8%，而10 mmol/L Mg2+、Ca2+、Mn2+和Ba2+則不同程度地促進(jìn)TaLac的活力，表明TaLac可耐受高濃度的二價(jià)金屬離子。Cu2+對(duì)于漆酶的催化反應(yīng)是必需的。TaLac的活性嚴(yán)格依賴于Cu2+。在沒(méi)有Cu2+時(shí)，TaLac沒(méi)有漆酶活性；0-5 mmol/L Cu2+促進(jìn)TaLac的活性；10 mmol/L Cu2+則抑制了TaLac的活性。該結(jié)果表明，Cu2+參與了TaLac對(duì)DMP的氧化反應(yīng)，即TaLac與Cu2+具有相互作用。但TaLac與已鑒定DUF152家族中可能的Cu2+結(jié)合位點(diǎn)不同于經(jīng)典漆酶［11-13］。電感耦合等離子體質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)表明每個(gè)RL5分子可能結(jié)合4個(gè)銅原子，但Tfu1114與LaclK的研究表明每個(gè)漆酶分子結(jié)合1個(gè)銅原子［11-13］。Cu2+與DUF152家族漆酶的結(jié)合比例與相互作用方式仍不清晰，有待進(jìn)一步研究。定點(diǎn)突變與等溫滴定量熱法的結(jié)合，可以確定TaLac與Cu2+的結(jié)合比例、結(jié)合位點(diǎn)等信息；TaLac與Cu2+高級(jí)結(jié)構(gòu)的解析，能夠更進(jìn)一步闡明Cu2+在DUF152家族漆酶催化反應(yīng)中的作用，解釋該家族漆酶的催化機(jī)制是否與經(jīng)典漆酶一致。

MG大量應(yīng)用于印染等工業(yè)，其無(wú)序排放對(duì)自然環(huán)境、動(dòng)植物乃至人類形成巨大的威脅。熱穩(wěn)定性好、金屬耐受性高的TaLac在條件復(fù)雜的MG廢水中具有應(yīng)用潛力。實(shí)驗(yàn)表明，TaLac可高效脫除MG。TaLac于60℃在4 h內(nèi)對(duì)MG的脫色效率達(dá)到67%。介體的加入，可提高漆酶對(duì)污染物的降解效率［2，25］。在ABTS的輔助下，TaLac可于3 h內(nèi)完全脫除MG。同樣在ABTS的參與下，LaclK在1 h內(nèi)對(duì)9 mg/L MG的脫色效率不足40%［13］；一色齒毛菌漆酶LacT-1在12 h內(nèi)對(duì)MG的降解效率為95%［21］。同溫層芽孢桿菌BCMC2漆酶BaCotA對(duì)MG僅具有微弱的降解活性；而在ABTS存在時(shí)，BaCotA于3 h可降解82% MG［26］。值得注意的是，TaLac和LaclK均不能催化ABTS的氧化，但ABTS卻能加速TaLac和LaclK對(duì)MG的脫色反應(yīng)［13］。該現(xiàn)象無(wú)法使用經(jīng)典的漆酶介體系統(tǒng)機(jī)制進(jìn)行解釋，可能與DUF152家族漆酶的催化機(jī)制相關(guān)，需要進(jìn)一步的研究。MG經(jīng)TaLac處理后顏色的高效脫除，表明MG的生色基團(tuán)受到破壞。因此，TaLac可能與白腐真菌齒毛菌（Cerrena sp.）漆酶LacA、棘孢木霉（Trichoderma asperellum）漆酶等經(jīng)典漆酶一致，通過(guò)氧化作用等降解MG，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)MG的脫色［10，27］。TaLac對(duì)MG的具體降解途徑仍待液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用等方法進(jìn)一步的確定。

漆酶對(duì)MG的降解是否可以脫除MG的毒性，需要進(jìn)一步的研究。本研究利用玉米萌發(fā)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)MG脫色產(chǎn)物的毒性，該方法也被用于評(píng)價(jià)活性黑5染料的毒性［28］。MG組中玉米種子的發(fā)芽?jī)H為33%，且發(fā)芽種子的胚芽及胚根長(zhǎng)度顯著低于對(duì)照組，表明MG對(duì)玉米發(fā)芽及生長(zhǎng)的嚴(yán)重抑制作用。經(jīng)TaLac處理后的MG組中玉米的發(fā)芽及生長(zhǎng)基本不受抑制，說(shuō)明TaLac完全消除了MG對(duì)玉米的毒害作用。然而，MG經(jīng)LacA漆酶處理后毒性雖然顯著降低，但仍對(duì)煙草、萵苣的生長(zhǎng)有一定的抑制作用［27］。綜上，TaLac可對(duì)MG進(jìn)行高效脫色及脫毒。

4 結(jié)論

在嗜熱菌水生棲熱菌篩選到具有漆酶活性的DUF152家族成員TaLac。TaLac具有DUF152家族保守的銅原子結(jié)合位點(diǎn)，有較好的溫度穩(wěn)定性，且能夠耐受高濃度的 Mg2+、Ca2+、Mn2+、Zn2+和 Ba2+等金屬離子。在ABTS介體的輔助下，TaLac可在3 h完全脫除50 mg/L MG，并且TaLac的處理徹底消除了MG對(duì)玉米的毒害作用。因此，DUF152家族漆酶TaLac在MG污染水體的修復(fù)中具有應(yīng)用潛力。