β-葡萄糖苷酶高產菌株的篩選及其基因的克隆與表達

王斌斌，劉逸寒，李 玉，王建玲，路福平

(工業發酵微生物教育部重點實驗室(天津科技大學) 工業酶國家工程實驗室 天津市工業微生物重點實驗室 天津科技大學生物工程學院,天津 300457)

β-葡萄糖苷酶(beta-Glucosedase，EC 3.2.1.21)是纖維素降解酶系的主要組分之一，它能夠水解結合于末端非還原性的β-D-葡萄糖苷鍵，同時釋放出β-D-葡萄糖和相應的配基[1]，在人類、動物、植物和微生物的糖類代謝方面都具有重要的價值[2]。目前，β-葡萄糖苷酶已經廣泛應用于食品、釀酒、醫藥、化工及糧食加工等領域，可用于改善茶葉、果汁的風味[3]，生產低聚龍膽糖[1]、大豆異黃酮活性苷元[4]和天然抗氧化劑多酚化合物[5]等。

雖然植物中廣泛存在著β-葡萄糖苷酶，但其含量少、活力低、大規模生產β-葡萄糖苷酶純化工藝較為復雜，限制了其擴大應用。因此，通過基因重組技術構建工程菌，分泌表達高活性β-葡萄糖苷酶對其實現工業化具有重要意義。Raynal等[6]于1984年從脆壁克魯維酵母中克隆得到β-葡萄糖苷酶基因，并在大腸桿菌和釀酒酵母中表達，重組菌產酶活力分別達到570 U·mL-1和3660 U·mL-1。2007年Hong等[7]在畢赤酵母中對嗜熱子囊菌β-葡萄糖苷酶進行表達，酶活力為0.7 U·mL-1。2009年李麗娟[8]實現黑曲霉GS115β-葡萄糖苷酶基因在畢赤酵母中表達，酶活達到1218 U·mL-1，是出發菌株的33.6倍。迄今為止，已有多種微生物來源的β-葡萄糖苷酶基因被克隆獲得并實現異源表達及分泌，但β-葡萄糖苷酶生產菌的相關研究絕大部分集中于真菌[9]，而對于細菌β-葡萄糖苷酶鮮有研究。隨著β-葡萄糖苷酶在化工以及其它領域的廣泛應用，細菌β-葡萄糖苷酶的優勢逐漸凸顯出來[10，11]，堿性和高溫的極端環境下真菌來源的酸性β-葡萄糖苷酶活力會急劇下降甚至喪失，而大多數細菌β-葡萄糖苷酶耐堿耐熱性能良好。因此，對細菌β-葡萄糖苷酶的研究成為主要發展趨勢。

作者從濱海新區鹽堿地土壤中分離篩選得到一株高產β-葡萄糖苷酶的短小芽孢桿菌B-4，并成功實現其β-葡萄糖苷酶基因bglB在大腸桿菌中的表達，為下一步該酶的性質研究奠定了基礎。

1 實驗

1.1 土樣來源

土樣采自天津濱海新區鹽堿地。

1.2 質粒與試劑

E.coliDH5α、E.coliBL21(DE3)、pET-22b(+)，自行保存；克隆載體pUCm-T，TaKaRa公司。

Taq DNA聚合酶、限制性內切酶、DNA分子量標準、純化DNA片段的瓊脂糖凝膠回收試劑盒，Takara公司；X-Gal、IPTG、T4連接酶、蛋白質分子量標準，上海生物工程有限公司。引物合成及測序由上海Invitrogen生物公司完成。

1.3 培養基

菌種富集篩選培養基：蛋白胨 1%，牛肉膏 0.3%，NaCl 0.5%，纖維二糖 0.5%，納他霉素適量，pH值7.4～7.6，121 ℃滅菌20 min。

產酶篩選培養基[12]：梔子苷 1‰，谷氨酸鈉 1%，蛋白胨 0.5%，KH2PO41%，MgSO40.05%，瓊脂 2%，pH值7.4～7.6，121 ℃滅菌20 min。

產酶發酵培養基[13]：麩皮 4%，(NH4)2SO40.2%，KH2PO40.2%，CaCl20.04%，MgSO4·7H2O 0.04%，121 ℃滅菌20 min。

1.4 產β-葡萄糖苷酶細菌的篩選

1.4.1 初篩

稱取1 g土樣加入到10 mL無菌水中，于80～90 ℃熱水浴中保溫10～15 min，37 ℃恒溫水浴振蕩培養，得到菌懸液；將菌懸液置于裝有菌種富集篩選培養基的三角瓶中于37 ℃、180 r·min-1培養2 d；梯度稀釋(10～106)[14]，涂布于篩選培養基平板上，37 ℃恒溫培養18 h，篩選單菌落周圍藍色水解圈顏色較深且與菌落直徑比值相對較大的菌落進行復篩。

1.4.2 復篩

將經初篩獲得的單菌落接種于裝有富集篩選培養基的三角瓶中，于37 ℃、180 r·min-1振蕩培養10 h，按1%的接種量接種于產酶發酵培養基中，于37 ℃、180 r·min-1培養48 h。用DNS法測定其酶活，篩選獲得β-葡萄糖苷酶高產菌株。

1.5 β-葡萄糖苷酶活性測定

取0.5 mL粗酶液加入到1.5 mL緩沖溶液配制的0.5% PNPG溶液中，于50 ℃水浴15 min；加入1.5 mL DNS，沸水浴5 min；冷卻至室溫后用蒸餾水稀釋至20 mL，在波長540 nm處測定其吸光值(OD540)。

酶活力單位定義為：每小時產生1 mg還原糖所需的酶量，用U·mL-1表示。

1.6 菌株16S rDNA序列的擴增、測定

參照文獻[15]進行。所測細菌16S rDNA序列同GenBank數據庫相關菌株的16S rDNA序列比對，并進行系統發育樹分析。

1.7 引物設計及目的片段的擴增

根據GenBank上已經發表的短小芽孢桿菌SAFR-032β-葡萄糖苷酶基因序列bglB(登錄號為YP_001488769.1)設計上游引物：5′-CGCGGATCCATGAGGAGGGCATTCAACATGAACAA-3′(下劃線部分為BamHI酶切位點)，下游引物：5′-CCG-GAATTCTTATGCATCTAAATGATCACCATTTGTCG-3′(下劃線部分為EcoRI酶切位點)。PCR反應體系(50 μL)為：10×Taq緩沖溶液5 μL，模板DNA 1 μL，濃度為10 μmol·L-1的引物各2 μL，dNTPs(2.5 mmol·L-1)4 μL，Taq DNA聚合酶0.3 μL，超純水35.7 μL，混勻。反應條件：95 ℃ 5 min；94 ℃ 45 s，53 ℃ 45 s，72 ℃ 2 min，32個循環；72 ℃ 10 min。

1.8 bglB基因的克隆及序列分析

將PCR擴增產物純化后連接到pUCm-T載體上，轉化E.coliDH5α感受態細胞。篩選獲得含bglB基因陽性克隆，經測序后在NCBI與已有β-葡萄糖苷酶序列進行比對分析。

1.9 重組表達質粒pET-bglB的構建

將上述測序正確的質粒及提取的大腸桿菌表達載體pET-22b(+)分別用BamHI和EcoRI進行雙酶切，酶切產物經純化回收后，用T4連接酶于16 ℃連接過夜，轉化E.coliDH5α感受態細胞，氨芐抗性平板篩選轉化子，分別用PCR和雙酶切法進行鑒定，并挑取陽性轉化子進行測序。再將陽性轉化子的質粒轉入表達宿主菌BL21(DE3)中誘導表達。

1.10 目的蛋白的誘導表達及分析鑒定

將構建好的工程菌BL21/pET-bglB和對照菌BL21/pET-22b(+)分別接種于5 mL帶有氨芐抗性的LB液體培養基中，于37 ℃水浴振蕩培養過夜，按1%的接種量轉接于裝有30 mL培養基的250 mL三角瓶中，繼續培養至OD600為0.6～0.8時，加入IPTG(終濃度為1 mmol·L-1)，20 ℃誘導表達。16 h后，4000 r·min-1冷凍離心收集菌體，將菌體懸于pH值7.0的磷酸緩沖溶液中，冰浴超聲。超聲波功率為200 W，每超聲5 s間隔8 s，共70次。分別取上清和沉淀進行SDS-PAGE(分離膠濃度為10%，濃縮膠濃度為5%)，檢測蛋白的表達情況。按1.5方法，對重組菌株的酶活力進行測定。

2 結果與討論

2.1 產β-葡萄糖苷酶菌株的分離

傳統產β-葡萄糖苷酶菌株篩選方法主要是在以纖維二糖為唯一碳源的平板上根據透明圈的大小進行篩選，由于纖維二糖價格較為昂貴，進行較大規模篩選成本較高。因梔子苷可被β-葡萄糖苷酶分解生成梔子苷元，而梔子苷元可與谷氨酸鈉作用形成藍色化合物，故可根據產生的藍色圈來篩選產β-葡萄糖苷酶的菌株。本實驗利用梔子苷篩選培養基獲得9株具有較高β-葡萄糖苷酶活力的菌株，見表1。

表1 9株具有較高β-葡萄糖苷酶活性的菌株

由表1可以看出，菌株B-4經37 ℃培養后藍色圈直徑與菌落直徑的比值最大，且顏色最深，同時其經進一步發酵培養后具有最高的酶活，所以選用B-4作為后續實驗出發菌株。

2.2 菌株B-4的形態(圖1)、16S rDNA鑒定

圖1 B-4的菌落形態(a)和菌體形態(b)

由圖1可以看出，菌落較小，呈乳白色，表面光滑，不透明；菌體呈短桿狀，很少成鏈，大小為(0.6～0.7)μm×(2.0～3.0)μm，具內生芽孢，少有兩端生，為革蘭氏陽性菌。推測菌株B-4屬于芽孢桿菌。

利用NCBI中的BLAST軟件對B-4菌株進行16S rDNA序列分析發現，菌株B-4與短小芽孢桿菌(Bacilluspumilus)的同源性為99%。又根據同源序列搜索，并且下載一些相關菌種的16S rDNA序列，利用MEGA 4.0軟件來構建系統進化樹，進一步探索菌株B-4與短小芽孢桿菌的親緣關系，見圖2。

圖2 菌株B-4 16S rDNA構建的系統發育樹

由圖2可以看出，菌株B-4與Bacilluspumilus處于同一分支，進化距離最短，這與BLAST比對的結果一致。

根據形態學、16S rDNA比對分析，可將菌株B-4鑒定為短小芽孢桿菌(Bacilluspumilus)。

2.3 短小芽孢桿菌B-4 β-葡萄糖苷酶基因bglB的獲得

利用PCR技術擴增后的產物電泳圖如圖3所示。

1.DNA標準 2.PCR產物

由圖3可以看出，利用PCR技術擴增后，得到1.5 kb左右的產物，片段大小與目的基因bglB相符。

2.4 bglB基因的序列測定與分析

按照1.8方法進行bglB的擴增、連接、驗證和測序，其驗證結果見圖4。

M.分子量標記 1～5.pUCm-T-bglB/Bam HI+Eco RI

序列分析結果表明，所得目的基因片段大小為1437 bp，可編碼478個氨基酸，目的蛋白大小預計為52.5 kD。將該基因的核苷酸序列與GenBank中序列進行比對發現，其與短小芽孢桿菌SAFR-032及枯草芽孢桿菌TU-B-10編碼的β-葡萄糖苷酶基因(YP_001488769.1、YP_004879524.1)具有較高的同源性，達到97%，其中與短小芽孢桿菌SAFR-032編碼基因相比，41個堿基不同，翻譯為蛋白質后有6個氨基酸差異，氨基酸同源性達到99%。

2.5 重組菌株BL21/pET-bglB的篩選與鑒定

按照1.9方法構建重組表達質粒pET-bglB,其雙酶切驗證結果見圖5。

M.分子量標記 1～4.pET-bglB/Bam HI+Eco RI

由圖5可以看出，重組質粒經BamHI及EcoRI雙酶切后，獲得的兩個特異性條帶大小分別與目的片段bglB及載體pET-22b(+)相符，表明重組菌株BL21/pET-bglB構建成功。

2.6 SDS-PAGE檢測

將驗證正確的重組質粒轉入大腸桿菌BL21(DE3)中，進行誘導表達，以BL21/pET-22b(+)誘導、BL21/pET-bglB未誘導作為對照。分別對超聲破碎后的上清液、沉淀和全菌體進行SDS-PAGE分析，結果見圖6。

M.分子量標記 1.BL21/pET-bglB未誘導全菌體 2.BL21/pET-22b(+)誘導后全菌體 3.BL21/pET-bglB誘導后上清 4.BL21/pET-bglB誘導后沉淀 5.BL21/pET-bglB誘導后全菌體

由圖6可以看出，BL21/pET-bglB的上清、沉淀與全菌體中均發現有相對分子質量約為58 kD的表達蛋白(條帶3～5)，與理論值略有差異，這是由于pET-22b(+)質粒本身分別帶有His標簽序列，其編碼的蛋白與目的蛋白融合表達的結果。通過Band-scan軟件分析得到其表達量占細胞總蛋白的37.3%左右，經超聲破碎后，蛋白仍有一部分以包涵體形式存在于沉淀中，上清中有部分蛋白表達。同時，按照1.5方法，測得BL21/pET-bglB超聲破碎上清液中β-葡萄糖苷酶BGL的酶活力可達46.85 U·mL-1。

2.7 討論

目前，由于由植物直接提取β-葡萄糖苷酶存在較多問題，微生物來源的β-葡萄糖苷酶受到廣泛重視。雖然微生物來源β-葡萄糖苷酶在許多催化性質上都表現出一定的相似性，但與大部分真菌β-葡萄糖苷酶相比，細菌β-葡萄糖苷酶在最適pH值、等電點等方面均明顯不同，其在中性或堿性條件下具有更高的催化活性[16]。因此，從實際應用方面考慮，有必要開發熱穩定性好、pH值作用范圍寬的β-葡萄糖苷酶。

3 結論

從鹽堿地土壤中分離得到一株高產β-葡萄糖苷酶的短小芽孢桿菌B-4。其β-葡萄糖苷酶基因bglB大小為1437 bp，編碼478個氨基酸，與已報道短小芽孢桿菌SAFR-032β-葡萄糖苷酶基因(YP_001488769.1)核苷酸序列同源性為97%、氨基酸序列同源性為99%。進一步利用表達載體pET-22b(+)，實現了β-葡萄糖苷酶基因bglB在大腸桿菌BL21(DE3)中的高效表達，活力達46.85 U·mL-1。為下一步酶學特性的分析及結構功能關系研究奠定了基礎。

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