适用于淀粉同步脱支液化过程的超高温普鲁兰酶的功能改造及高效表达分子基础

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31401636
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    26.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C2002.食品生物化学
  • 结题年份:
    2017
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2017-12-31

项目摘要

Extremely thermostable pullulanase can hydrolyze theα-1,6-glucosidic linkages in starch at high temperature, and can be applied to improve the utilization rate of materials and production efficiency in process for liquefying starch. In the previous work, two pullulanases were heterologous expressed and characterized in our laboratory, the thermostability, catalytic activity and secretion efficiency of pullulanases were enhanced by site-directed mutagenesis or terminal domains truncation. Additionally, we constructed recombinant Brevibacillus sp. WSH2010-06 for the expression and extracellular secretion of pullulanases. However, it was found that the existing pullulanases are difficult to satisfy the requirement of process for liquefying starch. Based on these results, the current project aims to analyses the crystal structure and clarify the molecular mechanism of pullulanases from different enzyme families. And subsequently, reconstruct pullulanases with improved functions, such as extreme thermolability and high activity suitable for synchronous debranching and liquefaction, by the combination of rational design and directed evolution. Furthermore, the project intends to develop approaches for high-efficiency extracellular expression of the extremely thermostable pullulanase in the Bacillus host. These studies will allow us to reveal the structure and function relationship between different pullulanase families, significantly enhance their performance in process for synchronous debranching and liquefying starch, and ultimately improve the utilization rate of starch in fermentation industry.
超高温普鲁兰酶能在高温条件下水解淀粉分子中的α-1,6-糖苷键,应用于淀粉液化过程可有效提高原料利用率和生产效率。在前期工作中,申请人重组表达了两个普鲁兰酶,获得了热稳定性、催化效率和胞外分泌效率显著提高的普鲁兰酶突变体,实现了普鲁兰酶在短小芽孢杆菌中的高效分泌表达。然而,我们发现已有的普鲁兰酶难以同时满足超高温和高活性的双重要求。在此基础上,本项目将解析超高温普鲁兰酶晶体结构,阐明不同家族酶耐热性及催化活性差异的分子机制,开展酶功能定向分子改造,获得满足淀粉同步脱支液化过程要求的超高温、高活性普鲁兰酶,优化超高温普鲁兰酶在芽孢杆菌安全宿主中的高效制备策略。本项目的研究不仅对于阐明不同家族普鲁兰酶结构与功能的关系,显著提高超高温普鲁兰在淀粉同步脱支液化过程中的应用性能具有重要意义,而且对于改善目前发酵工业中淀粉原料综合利用率偏低的现状亦具有积极作用。

结项摘要

(1) 基于高温普鲁兰酶具有极易形成活性蛋白聚集体的特点,筛选了不同类型的表面活性剂;发现Triton X-100的添加,不仅能够有效促进该酶可溶性表达,而且还能增强细胞膜透性,提高重组蛋白的分泌效率;优化了Triton X-100浓度、添加时间等条件,重组酶的胞外活力和分泌效率分别提高至812.4 U/mL和86.0%。在此基础上,构建了N端非必须结构域删除的截短突变体。突变体D437H/D503Y/d1和D437H/D503Y/d2胞外酶所占比例分别为57.3%和60.8%,分泌效率分别是对照的5.3倍和5.6倍,比活力分别是天然酶的1.03倍和1.39倍。(2) 对比了不同类型的表达系统,发现重组酶在重组短小芽孢杆菌中表达时重组酶以胞外分泌形式为主,胞内可溶蛋白和包涵体极少,未经优化初步发酵胞外酶活即可达到50.1 U/mL。考察了重组酶酶学性质,发现短小芽孢杆菌重组酶比活力和半衰期均比大肠杆菌重组酶有不同程度的提高,分别约是后者的1.34倍和1.13倍,说明短小芽孢杆菌对高温普鲁兰酶具有更强的折叠分泌能力。发现了Mg2+具有促进短小芽孢杆菌分泌“高比活”高温普鲁兰酶的独特作用,解析了该酶在短小芽孢杆菌中表达的“折叠主控型”机制:镁离子可以防止HWP从细胞表面脱落,导致P2启动子表达强度降低,HWP和重组酶的合成速度均降低,从而有利于重组酶的正确折叠。在此基础上,在3-L罐中建立了重组短小芽孢杆菌高效发酵制备重组酶的生产工艺。 (3) 对比了不同枯草芽孢杆菌宿主菌株中高温普鲁兰酶表达量的差异,筛选到一株较适合重组酶的表达宿主B. subtilis ATCC6051a;针对该菌株容易形成芽孢、发酵泡沫大、蛋白酶本底表达水平较高的缺点,建立了基于Crispr/Cas9的枯草芽孢杆菌基因组编辑工具载体,敲除了非驯化枯草芽孢杆菌菌株的5个基因,获得了适合高温普鲁兰酶重组表达的宿主菌。

项目成果

期刊论文数量(12)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(2)
专利数量(7)
异淀粉酶在α-环糊精制备中的应用及条件优化
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    基因组学与应用生物学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    冉红艳;段绪果;吴敬;吴丹
  • 通讯作者:
    吴丹
Triton X-100 enhances the solubility and secretion ratio of aggregation-prone pullulanase produced in Escherichia coli
Triton X-100 提高大肠杆菌中产生的易聚集普鲁兰酶的溶解度和分泌率
  • DOI:
    10.1016/j.biortech.2015.07.024
  • 发表时间:
    2015-10-01
  • 期刊:
    BIORESOURCE TECHNOLOGY
  • 影响因子:
    11.4
  • 作者:
    Duan, Xuguo;Zou, Chun;Wu, Jing
  • 通讯作者:
    Wu, Jing
Multigene disruption in undomesticated Bacillus subtilis ATCC 6051a using the CRISPR/Cas9 system.
使用 CRISPR/Cas9 系统对未驯化的枯草芽孢杆菌 ATCC 6051a 进行多基因破坏
  • DOI:
    10.1038/srep27943
  • 发表时间:
    2016-06-16
  • 期刊:
    Scientific reports
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Zhang K;Duan X;Wu J
  • 通讯作者:
    Wu J
Magnesium ions increase the activity of Bacillus deramificans pullulanase expressed by Brevibacillus choshinensis
镁离子增加短芽孢杆菌表达的芽孢杆菌支链淀粉酶的活性
  • DOI:
    10.1007/s00253-016-7386-y
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Applied Microbiology and Biotechnology
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Zou Chun;Duan Xuguo;Wu Jing
  • 通讯作者:
    Wu Jing
Efficient extracellular expression of Bacillus deramificans pullulanase in Brevibacillus choshinensis
脱支芽孢杆菌支链淀粉酶在短杆菌中的高效胞外表达
  • DOI:
    10.1007/s10295-015-1719-1
  • 发表时间:
    2016-04-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF INDUSTRIAL MICROBIOLOGY & BIOTECHNOLOGY
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Zou, Chun;Duan, Xuguo;Wu, Jing
  • 通讯作者:
    Wu, Jing

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其他文献

微生物GH13家族淀粉脱支酶研究进展
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    微生物学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    段绪果;吴敬
  • 通讯作者:
    吴敬

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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