天津工生所鹼性果膠酶高效胞外表達研究獲進展

2021-01-10 中國科學院

　　鹼性果膠酶（Pectate Lyase, PL, EC 4.2.2.2）催化多聚半乳糖醛酸裂解α-1,4-糖苷鍵，產生短鏈的不飽和寡聚半乳糖醛酸，廣泛應用於棉織品前處理，食品加工，植物（麻類）纖維脫膠，汙水處理和造紙製漿等加工過程。近年來，其作為生物精練或者脫膠助劑在麻類脫膠過程中得到廣泛應用。然而，鹼性果膠酶的大規模生產卻受到低表達、低產率和高費用等因素的制約，限制了該酶在脫膠工業的廣泛應用。

　　中國科學院天津工業生物技術研究所宋江寧研究員帶領的結構生物信息學與整合系統生物學研究組近年來針對如何提高鹼性果膠酶產量的這個關鍵環節，開展了一系列深入研究，開發了一套經濟效益高、過程控制簡便、適應工業化大生產要求的重組大腸桿菌高產鹼性果膠酶的發酵工藝。該工作中，通過控制細胞比生長速率，建立了多步甘油補料策略，實現了大腸桿菌的高密度培養，能夠有效地控制細胞生長和減少代謝副產物乙酸的產生，最終產酶水平和生產速率分別高達4475 U/mL和17569.7 U/g/h，為公開報導的最高產量和產酶效率，達到世界先進水平（如圖）。此外，為了減輕誘導物IPTG對細胞的毒害作用，並進一步降低鹼性果膠酶的生產成本，該工作還開發了採用溫和、連續的乳糖補料策略代替昂貴的IPTG進行誘導，胞外和總產酶水平亦可分別達到4478和5337 U/mL。

　　該研究表明，誘導溫度對重組大腸桿菌產酶過程中的胞外分泌能力有顯著影響；誘導劑（包括IPTG和乳糖）濃度也對重組大腸桿菌的表達和胞外分泌能力有一定的影響，通過對這些條件的優化，可以實現鹼性果膠酶的最優產量。該研究成果也對其他工業酶的重組工程菌規模化生產具有重要借鑑意義。

　　研究成果發表在SCI雜誌Biochemical Engineering Journal上，天津工生所結構生物信息學與整合系統生物學研究組科研助理王輝林和李小曼為論文的共同第一作者。該研究得到中國科學院知識創新工程項目（KSCX2-EW-G-8）和天津市重大科技攻關項目（10ZCKFSY05600）的資助，並已申請1項國家專利。

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    產酶過程曲線細胞濃度(■)，胞內酶活(▲)，胞外酶活(▼)，酶分泌能力(□)，以及總酶活 (●)，培養溫度30°C，IPTG誘導濃度0.4 mM 

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