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1株鏈霉菌產(chǎn)ε聚賴氨酸的結(jié)構(gòu)及分子量分析

2015-02-15 11:09劉盛榮吳清平張菊梅莫樹平楊小鵑
食品工業(yè)科技 2015年9期
關(guān)鍵詞:聚賴氨酸賴氨酸薄層

劉盛榮,吳清平,張菊梅,莫樹平,楊小鵑

(廣東省微生物研究所/華南應(yīng)用微生物國家重點實驗室,廣東廣州 510070)

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劉盛榮,吳清平*,張菊梅,莫樹平,楊小鵑

(廣東省微生物研究所/華南應(yīng)用微生物國家重點實驗室,廣東廣州 510070)

目的:研究確定1株疑似產(chǎn)ε-聚賴氨酸鏈霉菌所合成產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子量。方法:采用D152樹脂離子交換法分離純化ε-聚賴氨酸;薄層色譜分析化學(xué)組成;紫外可見掃描光譜分析有機(jī)官能團(tuán);長程異核位移相關(guān)譜分析賴氨酸分子間的鍵連接方式;Tricine-SDS-PAGE電泳分析ε-聚賴氨酸分子量。結(jié)果:薄層色譜顯示賴氨酸為純化產(chǎn)物的惟一化學(xué)組成;純化產(chǎn)物200nm處有最大吸收峰,260~280nm蛋白特征吸收處無吸收;長程異核位移相關(guān)譜顯示純化產(chǎn)物為ε-聚賴氨酸;所分離ε-聚賴氨酸分子量約為3300u左右。結(jié)論:菌株GIM8發(fā)酵產(chǎn)物為ε-聚賴氨酸;薄層色譜、紫外可見掃描光譜以及長程異核位移相關(guān)譜三者結(jié)合適用于ε-聚賴氨酸的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)分析。

鏈霉菌,ε-聚賴氨酸,化學(xué)結(jié)構(gòu),長程異核位移相關(guān)譜,Tricine-SDS-PAGE

ε-聚賴氨酸(ε-poly-l-lysine)是在1977年由日本科學(xué)家Shima和Sakai在白色鏈霉菌(Streptomycesalbulus)發(fā)酵液中發(fā)現(xiàn)的,通常由25~35個l-賴氨酸殘基通過α-羧基與ε-氨基形成的酰胺鍵連接[1],不同于蛋白分子α-聚賴氨酸。ε-聚賴氨酸抑菌譜廣,對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、絲狀真菌、酵母菌以及病毒等有明顯的抑制作用[2-3]。此外動物實驗表明ε-聚賴氨酸對人體安全無毒,且可生物降解[4-5],因此,ε-聚賴氨酸十分適合作為安全高效的天然食品防腐劑。在日本,ε-聚賴氨酸常用于面條、米飯、蛋制品、醬類、醬油、魚片等食品的防腐保鮮[6],美國、韓國等國也已批準(zhǔn)其作為食品防腐劑并得到推廣應(yīng)用。目前ε-聚賴氨酸在日本已實現(xiàn)工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)。

除作為一種安全高效的天然食品防腐劑外,ε-聚賴氨酸在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、生物研究、電子工業(yè)等領(lǐng)域也發(fā)揮重要作用[6]。醫(yī)藥上富含正電荷的ε-聚賴氨酸與陰離子藥物具有很強(qiáng)的靜電作用,結(jié)合后藥物極易穿過細(xì)胞膜,提高了藥物的轉(zhuǎn)運效率和治療效果[7],也可作為基因載體用于基因治療[8];農(nóng)業(yè)上通過輻射交聯(lián)制備ε-聚賴氨酸的水凝膠或者使之與多糖反應(yīng)制備高吸水性物質(zhì)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的保水劑[9];生物研究中ε-聚賴氨酸可作為細(xì)胞促融劑提高細(xì)胞的融合效率[10];此外,ε-聚賴氨酸可作為多陣列傳感器、納米級光電纖維等的制作材料[11-12]。

當(dāng)前食品工業(yè)中仍然主要使用化學(xué)合成類的防腐劑如苯甲酸及其鈉鹽、硝酸鹽、丙酸鈣等進(jìn)行防腐保鮮,但這些防腐劑對人體健康具有潛在的危害,因此天然來源的抑菌物質(zhì)由于安全性高受到人們的親睞,如植物源的茶多酚、香辛料、中草藥提取物等;動物源的魚精蛋白、蜂膠、殼聚糖等;微生物源的乳酸鏈球菌素、納他霉素、ε-聚賴氨酸等。與動物、植物源的防腐劑相比較微生物源的ε-聚賴氨酸可通過發(fā)酵的方法工業(yè)化生產(chǎn),而且生產(chǎn)過程對環(huán)境影響也更小,因此ε-聚賴氨酸的微生物發(fā)酵生產(chǎn)更具優(yōu)勢。

ε-聚賴氨酸潛在的巨大商業(yè)價值引起了研究人員的關(guān)注,我國以及日本等國的研究人員在產(chǎn)生菌篩選[13-17]、發(fā)酵工藝[18-20]、生物合成[21-23]以及ε-聚賴氨酸對食源性病原微生物的抑制效應(yīng)[24-25]等方面開展了大量研究。本課題組采用亞甲基藍(lán)法從土壤中分離到1株疑似產(chǎn)ε-聚賴氨酸的鏈霉菌,本文研究確證產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)及分子量,為菌株的工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菌株 鏈霉菌GIM8;丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺、過硫酸胺及TEMED AMRESCO公司;低蛋白分子量Marker 廣州瑞斯生物;D152樹脂 天津光復(fù)精細(xì)化工研究所;5cm×20cm硅膠層析板 煙臺市化學(xué)工業(yè)研究所;高氏1號合成培養(yǎng)基 廣東環(huán)凱微生物科技有限公司;M3G培養(yǎng)基(g/L)[18]葡萄糖50、酵母粉5、(NH4)2SO410、KH2PO41.36、K2HPO40.8、MgSO4·7H2O 0.5、ZnSO4·7H2O 0.04和FeSO4·7H2O 0.03,pH7.2。

EYELA FMC-1000恒溫?fù)u床 日本東京理化器械;蛋白質(zhì)微量電泳儀及Miniprotein Ⅱ垂直電泳槽 美國Bio-Rad;Ultrospec 6300 pro核酸蛋白分析儀 美國Amershan;Bruker DRX-500 MHz核磁共振波譜儀 德國 Bruker光譜儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 搖瓶發(fā)酵 用接種環(huán)從培養(yǎng)好的斜面刮取一環(huán)孢子劃線至高氏1號培養(yǎng)基(9cm培養(yǎng)皿),置30℃培養(yǎng)箱,7d后注入5mL無菌水,用接種環(huán)刮取培養(yǎng)基表面的孢子使之懸于無菌水制備孢子懸液;吸取1mL孢子懸液至50mL M3G培養(yǎng)基(250mL搖瓶),置溫度30℃、轉(zhuǎn)速為190r/min的搖床培養(yǎng)20h作為發(fā)酵種子。吸取2mL種子至50mL M3G培養(yǎng)基(250mL搖瓶),培養(yǎng)條件同種子培養(yǎng),發(fā)酵時間72h。

1.2.2 樹脂處理 新樹脂D152依次用70~80℃去離子水漂洗、乙醇浸泡和去離子水漂洗預(yù)處理,置 1mol/L HCl浸泡,不時用玻棒攪拌,4h后傾去酸液,去離子水洗至中性;置1mol/L NaOH浸泡,不時攪拌,4h后傾去堿液,去離子水洗至中性,最后樹脂于1mol/L HCl浸泡4h并不時攪拌,傾去酸液,去離子水洗至中性,即為H型備用。

1.2.3 產(chǎn)物純化 取發(fā)酵培養(yǎng)基50mL至離心管,10000×g離心10min,收集上清,以1mol/L NaOH調(diào)pH至8.5,靜置30min后10000×g離心10min,上清轉(zhuǎn)至含2mL D152樹脂的250mL搖瓶,150r/min、30℃吸附30min。用60目尼龍布過濾收集樹脂,依次去離子水、0.2mol/L乙酸淋洗,樹脂轉(zhuǎn)移至裝有20mL 0.1mol/L HCl的250mL搖瓶,150r/min、30℃洗脫30min;用1mol/L NaOH將洗脫液pH調(diào)至6.5,靜置30min后離心收集上清。上清活性炭脫色1h、離心收集上清,過Sephadex G-25柱除鹽得無色透明液體純化產(chǎn)物,或進(jìn)一步濃縮、冷凍干燥得到固體純化產(chǎn)物。

1.2.4 鹽酸水解與薄層色譜 吸取1mL液體純化產(chǎn)物至耐熱玻璃管,加入1mL濃鹽酸,鹽酸終濃度為6mol/L,密封后121℃烘箱水解24h。薄層色譜的展開劑為正丁醇∶冰醋酸∶吡啶∶水=4∶1∶1∶2(v/v),0.2%茚三酮乙醇溶液為顯色劑,毛細(xì)管點樣,點樣量為1μL,層析缸室溫層析,展開劑前沿距硅膠板頂端1cm處時取出硅膠板,溶劑室溫?fù)]發(fā)后噴灑顯色劑,90℃烘箱顯色。

1.2.5 紫外可見掃描光譜 液體純化產(chǎn)物適當(dāng)稀釋,用核酸蛋白分析儀掃描190~400nm間光吸收。

1.2.6 長程異核位移相關(guān)譜 采用Bruker DRX-500 MHz型超導(dǎo)核磁共振儀測定。樣品溶于D2O,TMS作內(nèi)標(biāo),測試溫度為室溫,采用BBO探頭,本測試由中國廣州分析測試中心完成。

1.2.7 Tricine-SDS-PAGE電泳

1.2.7.1 電泳溶液配制 參照文獻(xiàn)[26-28]。

1.2.7.2 凝膠制作 制備4%濃縮膠及14%分離膠,先鋪分離膠,聚合后鋪濃縮膠,其余參照[26-28]。

1.2.7.3 上樣及電泳 樣品進(jìn)膠前電壓設(shè)置為80V,待前沿指示劑跑到濃縮膠和分離膠的分界線時,設(shè)置電壓為120V,電泳40min。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)物純化

發(fā)酵液經(jīng)純化后得到無色透明液體;濃縮、真空冷凍干燥后的純化產(chǎn)物為淺白色固體粉末。液體純化產(chǎn)物用于紫外可見掃描及薄層色譜分析,固體純化產(chǎn)物用于長程異核位移相關(guān)譜磁共振測試。

2.2 薄層色譜

圖1為純化產(chǎn)物鹽酸水解物的薄層色譜圖譜,可以看出層析板上只形成1個與標(biāo)準(zhǔn)物賴氨酸相對應(yīng)的斑點,但由于薄層色譜分辨率相對較低,初步推斷賴氨酸為純化產(chǎn)物的唯一化學(xué)組成。

圖1 純化產(chǎn)物鹽酸水解物的薄層圖譜Fig.1 Profiles of thin layer chromatography of the acid hydrolysate of purified product from Streptomyces sp. GIM8注:A:標(biāo)準(zhǔn)品-賴氨酸;B:鹽酸水解物。

2.3 紫外可見光掃描光譜

圖2為純化產(chǎn)物的紫外可見掃描光譜圖,可以看出約200nm處有最大吸收,隨激發(fā)波長增大光吸收急劇下降;260~280nm蛋白質(zhì)特征吸收處無吸收,結(jié)合薄層色譜結(jié)果可初步確定純化產(chǎn)物不是α-聚賴氨酸,為ε-聚賴氨酸。

圖2 純化產(chǎn)物的紫外可見掃描光譜Fig.2 UV-VIS scanning spectrum of the product isolated from Streptomyces sp. GIM8

2.4 長程異核位移相關(guān)譜

圖3為純化產(chǎn)物的長程異核位移相關(guān)譜。顯而易見聚賴氨酸(ε-聚賴氨酸或α-聚賴氨酸)的羰基碳具有最大的化學(xué)位移(圈處),譜圖中可以看出其與不同質(zhì)子的耦合作用形成了3個明顯的斑點,其中2個斑點的化學(xué)位移相近(圈處),由此可知聚合物形成過程中是賴氨酸羰基碳的羧基與ε位的NH2進(jìn)行了聚合反應(yīng),使得羰基碳與近鄰的α-碳質(zhì)子與ε-碳質(zhì)子的耦合作用強(qiáng)且化學(xué)位移相近,而它與β、γ、δ碳質(zhì)子距離相對較遠(yuǎn),耦合作用弱且化學(xué)位移相近,結(jié)果只形成1個耦合斑點。

圖3 純化產(chǎn)物的長程異核位移相關(guān)譜Fig.3 HMBC spectrum of the product produced by Streptomycs sp. GIM8

與上述聚合反應(yīng)不同時,即聚合過程中賴氨酸的羧基與另一賴氨酸的α-NH2縮合時,羰基碳與2個近鄰的α-碳質(zhì)子具有強(qiáng)耦合作用形成1個明顯的斑點,但由于空間結(jié)構(gòu)原因其與β、γ、δ、ε位上的質(zhì)子耦合作用較弱具位移相近,只形成1個斑點,因此α-賴氨酸的長程異核位移相關(guān)譜譜圖上只形成2個明顯斑點。由上述可知長程異核位移相關(guān)譜確證產(chǎn)物為ε-聚賴氨酸。

2.5 Tricine-SDS-PAGE電泳

圖4為菌株所合成ε-聚賴氨酸的Tricine-SDS-PAGE電泳圖,可以看到所分離的ε-聚賴氨酸分子量約為3300u左右。值得指出的是ε-聚賴氨酸所形成的條帶與Marker相比前者更彌散,這可能與ε-聚賴氨酸是鏈長不一的混合物有關(guān),短鏈ε-聚賴氨酸電泳時遷移速率較快,而長鏈分子遷移速率較慢,導(dǎo)致彌散條帶形成。此外ε-聚賴氨酸不是一種蛋白分子,它與SDS的結(jié)合比例及其在泳道中的遷移規(guī)律可能與蛋白分子存在差異,可能也是引起ε-聚賴氨酸條帶彌散的原因。

圖4 鏈霉菌GIM8合成ε-聚賴氨酸Tricine-SDS-PFGE電泳圖Fig.4 Tricine-SDS-PAGE electrophoresis of the ε-PL produced by Streptomyces sp. GIM8

3 討論

賴氨酸是人體8種必需氨基酸之一,分子中含有α位及ε位2個不同氨基,因此,賴氨酸聚合物形成過程中賴氨酸分子間有2種明顯不同的聚合方式,即:a. 賴氨酸羧基與另一賴氨酸α位氨基縮合,形成常見的蛋白分子α-聚賴氨酸;b. 賴氨酸羧基與另一賴氨酸ε位氨基縮合,形成性質(zhì)穩(wěn)定、具有強(qiáng)抑菌活性的異形肽ε-聚賴氨酸。此外,聚合過程中賴氨酸的羧基既與α位氨基又與ε位氨基縮合,則形成不同于α-聚賴氨酸又異于ε-聚賴氨酸的賴氨酸聚合物,不過迄今為止自然界中該類型的聚合物未見報道。綜上可知賴氨酸聚合物分子內(nèi)的鍵連接方式測定十分必要。

朱宏陽等[29]通過水楊醛與聚合物的游離氨基反應(yīng)的方法保護(hù)氨基,經(jīng)鹽酸水解、薄層色譜后確定聚合物中賴氨酸殘基間的鍵連接方式,不過該方法繁冗,且對人體有一定毒性。本研究采用薄層色譜的方法初步分析ε-聚賴氨酸的化學(xué)組成,紫外可見掃描光譜分析有機(jī)官能團(tuán),長程異核位移相關(guān)譜解析鍵連接方式,3種方法的結(jié)合使用是一種適合ε-聚賴氨酸化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)分析的方法。

ε-聚賴氨酸分子大小與抑菌活性緊密相關(guān),聚合度10以上是其抑菌活性所必需的條件,而9以下則ε-聚賴氨酸完全失去抑菌活性[2],另外一方面ε-聚賴氨酸的苦味隨分子量增大而強(qiáng)化,因此在保持抑菌活性的前提下低聚合度ε-聚賴氨酸更符合食品工業(yè)的需求[30-31],而高聚合度ε-聚賴氨酸則更適合作為一種生物材料[32]。本研究中的ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌株所合成的ε-聚賴氨酸分子量約為3300,適合作為一種食品防腐劑。

4 結(jié)論

薄層色譜及紫外可見掃描光譜可用于ε-聚賴氨酸化學(xué)組成及分子結(jié)構(gòu)的初步分析,長程異核位移相關(guān)譜可用于解析ε-聚賴氨酸的鍵連接方式,三者的結(jié)合可確證ε-聚賴氨酸的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)。

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Analysis of chemical structure and mass weight of a product produced by a suspected ε-poly-l-lysine-producingStreptomycesstrain

LIU Sheng-rong,WU Qing-ping*,ZHANG Ju-mei,MO Shu-ping,YANG Xiao-juan

(Guangdong Institute of Microbiology,Ministry-Guangdong Province Jointly State Key Laboratory of Applied Microbiology,Southern China,Guangzhou 510070,China)

Objective:The aim of this study was to determinate chemical structure and mass weight of a product suspected as ε-poly-l-lysine from aStretomycesstrain.Methods:The chemical composition of the product was determined by thin layer chromatography(TLC);the UV-VIS wavelength scanning was used to analyze organic groups;the chemical bond among l-lysine residues was analyzed by heteronuclear multiple-bond correlation spectrum(HMBC). Tricine-SDS-PAGE was employed for the analysis of molecular weight.Results:The TLC profile indicated that the product consisted of only lysine;the maximum absorbance was observed at 200nm,and almost no absorbance at 260~280nm that characteristics of a protein was detected. The HMBC spectrum confirmed that the product from the strain was ε-poly-l-lysine. The ε-poly-l-lysine had an average mass weight of around 3300u.Conclusion:The product produced by strain GIM8 was ε-poly-l-lysine,and the molecular weight was around 3300u. The combination of the TLC,UV-VIS wavelength scanning,and HMBC can be a suiTableapproach for the determination of the chemical structure of ε-poly-l-lysine.

Streptomyces;ε-poly-l-lysine;chemical structure;HMBC;Tricine-SDS-PAGE

2014-05-29

劉盛榮(1973-),男,博士,主要從事微生物發(fā)酵及代謝調(diào)控研究。

*通訊作者:吳清平(1962-),男,博士,研究員,研究方向:食品安全監(jiān)測與控制。

廣東省科技計劃項目(2009B011300004)。

TS202.3

A

:1002-0306(2015)09-0107-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.09.014

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