費嵩禹，王梓懿，荊曉鳳，楊 帆，陳曉藝，李憲臻

（大連工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院，遼寧 大連 116034）

β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase，EC3.2.1.21），又稱β-葡萄糖苷水解酶，是一種用于改善食品風(fēng)味或生產(chǎn)活性單體成分的重要酶制劑，廣泛應(yīng)用于食品、藥品、保健品等領(lǐng)域[1]。近年來，有關(guān)β-葡萄糖苷酶在食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注，有研究表明，β-葡萄糖苷酶是水解芳香前體物質(zhì)，釋放結(jié)合態(tài)糖苷配基的關(guān)鍵性酶，能夠改善茶葉、果汁、果酒、面包等食品的風(fēng)味，提升食品品質(zhì)[2]。周小玲等研究發(fā)現(xiàn)，可利用β-葡萄糖苷酶輔助提取茶葉中的天然產(chǎn)物[3]；劉芳舒等研究發(fā)現(xiàn)，β-葡萄糖苷酶酶解增香能在較大程度上還原刺梨汁的天然香氣[4]；孫愛東等研究發(fā)現(xiàn)，用β-葡萄糖苷酶處理各類葡萄酒，能夠使其香氣更加飽和，感官品質(zhì)明顯提高[5]；錢超等研究發(fā)現(xiàn)，添加高產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的乳酸菌發(fā)酵葡萄汁酸面團，能夠明顯改善面包風(fēng)味[6]。此外，β-葡萄糖苷酶能夠在纖維素的降解過程中解除纖維二糖對內(nèi)切葡聚糖苷酶和外切葡聚糖苷酶的產(chǎn)物抑制，能夠水解結(jié)合于非還原性末端的β-葡萄糖苷鍵，同時釋放出葡萄糖和相應(yīng)的配基。β-葡萄糖苷酶主要作用于β-1，4 糖苷鍵，此外還可以作用于β-（1，1）、（1，2）、（1，3）、（1，6）糖苷鍵[7]。依據(jù)氨基酸序列的同源性和結(jié)構(gòu)的相似性，已知的β-葡萄糖苷酶被歸為GH1、GH3、GH5、GH9、GH30 和GH116 等6 個家族中[7-10]。近年來，關(guān)于微生物來源β-葡萄糖苷酶的報道日益增多。相比于真菌，一些細菌來源的β-葡萄糖苷酶熱穩(wěn)定性更強，但是產(chǎn)量較低。針對這些問題，研究者利用基因工程等手段，異源表達性能優(yōu)越的β-葡萄糖苷酶，以提高其產(chǎn)量[11]。

生孢噬纖維菌是土壤中常見的好氧性纖維素分解細菌，對纖維素的降解能力十分強大。然而，由于生孢噬纖維菌不易分離純化，研究難度較大，關(guān)于生孢噬纖維菌的纖維素降解機制尚不明確[12]。部分研究人員對生孢噬纖維菌中纖維素酶的特性進行了研究，Osmundsvag 等從生孢噬纖維菌的發(fā)酵液上清液中檢測到內(nèi)切葡聚糖酶的酶活力[13]，劉東波等對生孢噬纖維菌Sporocytophaga sp.JL-01 的纖維素酶進行了定位研究[14]。β-葡萄糖苷酶在生孢噬纖維菌降解纖維素的過程中起著十分重要的作用，但至今還未有關(guān)于生孢噬纖維菌中β-葡萄糖苷酶的報道。

為了獲得酶學(xué)性質(zhì)優(yōu)良的新型β-葡萄糖苷酶，作者首次從生孢噬纖維菌Sporocytophaga sp.CX11的基因組中篩選出在降解纖維二糖過程中可能發(fā)揮關(guān)鍵作用的β-葡萄糖苷酶基因（SmBgl3A），將該基因克隆，在大腸桿菌中進行異源表達，并對其酶學(xué)性質(zhì)進行了研究，為進一步擴展β-葡萄糖苷酶的種類，及對其功能及應(yīng)用的探索奠定了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 菌株和質(zhì)粒載體 Sporocytophaga sp.CX11：作者所在實驗室分離保存；大腸桿菌（Escherichia coli）DH5α、大腸桿菌 BL21（DE3）、質(zhì)粒pET-28a（+）：中國科學(xué)院大連物理化學(xué)研究所趙宗保研究員課題組惠贈。

1.1.2 主要試劑 Primer STAR HS DNA Polymerase、DNA Marker、Protein Molecular Weight Marker、PrimeScriptTMRT Reagent Kit（Perfect Real Time）、Dpn I、Pst I、Sma I、rTaq DNA 聚合酶等：大連寶日醫(yī)生物股份有限公司產(chǎn)品；SanProp 柱式DNA膠回收試劑盒、SanProp 柱式質(zhì)粒DNA 小量抽提試劑盒、考馬斯亮藍G250、羧甲基纖維素鈉（CMCNa）、異丙基-β-D-硫代半乳糖苷（IPTG）等：生工生物工程股份有限公司產(chǎn)品；對硝基苯基-β-D-吡喃葡萄糖苷（pNPG）：北京索萊寶科技有限公司產(chǎn)品；胰蛋白胨、酵母浸粉：北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司產(chǎn)品；RNA 提取試劑盒：艾科瑞生物公司產(chǎn)品。

1.1.3 培養(yǎng)基 Sporocytophaga sp.CX11 培養(yǎng)基（g/L）：NaNO30.5，MgSO4·H2O 0.5，KCl 0.5，K2HPO41，F(xiàn)eSO40.01，葡萄糖（或纖維二糖）5。

LB 培養(yǎng)基（g/L）：酵母浸粉5，胰蛋白胨10，NaCl 10。

LLB（低鹽LB）發(fā)酵培養(yǎng)基（g/L）：酵母浸粉5，胰蛋白胨10，NaCl 5。

1.2 主要儀器

梯度PCR 儀、高速冷凍臺式離心機、電擊轉(zhuǎn)化儀：德國Eppendorf 公司產(chǎn)品；LAS4000、AKTA 蛋白質(zhì)純化系統(tǒng)：美國GE Healthcare 公司產(chǎn)品；超濾裝置：美國Millipore 公司產(chǎn)品；超聲波細胞粉碎機：寧波新芝生物科技股份有限公司產(chǎn)品；安捷倫電泳分析儀：美國安捷倫科技有限公司產(chǎn)品；酶標儀：美谷分子儀器（上海）有限公司產(chǎn)品；三層恒溫搖床：伊孚森生物科技（中國）有限公司產(chǎn)品；電熱恒溫培養(yǎng)箱：上海精宏實驗設(shè)備有限公司產(chǎn)品；ICS-5000 離子色譜儀：美國賽默飛世爾科技公司產(chǎn)品；LightCycler480Ⅱ?qū)崟r熒光定量PCR 儀：瑞士Roche公司產(chǎn)品。

1.3 實驗方法

1.3.1 生孢噬纖維菌總 RNA 的提取 將Sporocytophaga sp.CX11 接種至10 mL 葡萄糖或纖維二糖液體培養(yǎng)基中，30 ℃、200 r/min 培養(yǎng)36 h 制備種子液。種子液以體積比1∶50 接種量分別接種至以葡萄糖或纖維二糖為碳源的液體培養(yǎng)基中，培養(yǎng)至對數(shù)生長中前期。收集菌體，用無菌水反復(fù)洗滌，重懸至OD600為1.0，液氮速凍于-80 ℃保存?zhèn)溆谩２捎肧teadyPure 通用型RNA 提取試劑盒對生孢噬纖維菌Sporocytophaga sp.CX11 總RNA 進行提取，操作方法參照試劑盒說明書。

1.3.2 反轉(zhuǎn)錄反應(yīng) 利用PrimeScriptTMRT Reagent Kit（Perfect Real Time）對所獲得RNA 進行反轉(zhuǎn)錄。反轉(zhuǎn)錄體系包括200 ng RNA，1 μL PrimeScript Enzyme Mix，4 μL 5 ×PrimeScript Buffer，1 μL Random 6 Mers，1 μL Oligo dT Primer，用無RNase的水補充至20 μL，在PCR 儀中37 ℃反應(yīng)15 min，85 ℃反應(yīng)5 s。

1.3.3 實時熒光定量PCR 應(yīng)用LightCycler480Ⅱ?qū)崟r熒光定量PCR 儀，進行實時熒光定量PCR 實驗。體系包括10 μL TB Green Premix Ex TaqGC（2×），0.4 μL PCR Forward Primer（10 μmol/L），0.4 μL PCR Reverse Primer（10 μmol/L），100 ng Template 以及0.4 μL 滅菌水。經(jīng)過擴增反應(yīng)進行實時熒光信號的收集，根據(jù)Ct 值分析計算不同基因的相對表達量。所用實時熒光定量PCR 引物如表1所示。

表1 實時熒光定量PCR 引物Table 1 Primers for real-time quantitative PCR

1.3.4 β-葡萄糖苷酶SmBgl3A 蛋白質(zhì)序列分析通 過EMBL-EBI（https：//www.ebi.ac.uk/about）對SmBgl3A 進行二級結(jié)構(gòu)預(yù)測。利用SWISS-MODEL（https：//swissmodel.expasy.org/）進行同源建模，模擬SmBgl3A 的三級結(jié)構(gòu)。利用NCBI BLAST（https：//novopro.cn/blast/blastp.html）進行序列同源性比對。用 Clustal Omega（https：//www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalo/）進行多重序列比對，并利用ESpript 服務(wù)器（http：//espript.ibcp.fr/ESPript/cgi-bin/ESPript.cgi）進行多序列比對結(jié)果輸出。

1.3.5 β-葡萄糖苷酶基因SmBgl3A 的克隆和表達載體構(gòu)建 根據(jù)生孢噬纖維菌Sporocytophaga sp.CX11 基因組中β-葡萄糖苷酶SmBgl3A 的基因和表達載體pET-28a（+）的多克隆位點，設(shè)計上游引物SmBgl3A-F（CAGCAAATGGGTCGCGGATCCCAAAA TCAGGATCAAAAGATTG）及下游引物SmBgl3A-R（GTGGTGGTGGTGGTGCTCGAGCTATTTAAACGAA ATGATCACC）。以基因組DNA 為模板，進行PCR 擴增。擴增程序為：95 ℃預(yù)變性5 min，95 ℃變性30 s，54 ℃退火30 s，72 ℃延伸2 min，循環(huán)30 次；最后72 ℃延伸10 min。由此得到目的片段，以擴增出來的β-葡萄糖苷酶目的片段為引物，利用RF-clone（restriction-free clone）技術(shù)將目的片段克隆至pET-28a（+）載體上。隨后用1.5 μL 的限制性內(nèi)切酶Dpn Ⅰ消化模板，37 ℃反應(yīng)10 h 以上，得到構(gòu)建成功的質(zhì)粒。將構(gòu)建成功的質(zhì)粒電擊轉(zhuǎn)化至大腸桿菌DH5α 感受態(tài)細胞中，挑取陽性轉(zhuǎn)化子，酶切驗證正確后送測序，測序結(jié)果比對正確即重組質(zhì)粒鑒定正確。

1.3.6 重組β-葡萄糖苷酶SmBgl3A 在大腸桿菌中表達 將鑒定正確的重組質(zhì)粒熱激轉(zhuǎn)化至大腸桿菌BL21（DE3）感受態(tài)細胞中，挑取陽性轉(zhuǎn)化子送公司測序，將測序正確的轉(zhuǎn)化子接種至LB 培養(yǎng)基（含終質(zhì)量濃度30 μg/mL 的卡納霉素），37 ℃、200 r/min過夜培養(yǎng)。將種子液以2%（體積分數(shù)）接種量接入LLB 發(fā)酵培養(yǎng)基，37 ℃、200 r/min 培養(yǎng)至OD600為0.6，加入終濃度為1 mmol/L 的IPTG，16 ℃過夜誘導(dǎo)16 h。

1.3.7 重組β-葡萄糖苷酶SmBgl3A 的純化 重組大腸桿菌誘導(dǎo)過夜后，收集菌體。用pH 8.0 的緩沖液重懸菌體，混合均勻后用高壓勻漿破碎。于4 ℃條件下，10 000 g 離心20 min，上清液即為粗酶液，利用Ni-NTA 親和層析進行純化。

純化采用AKTA 蛋白質(zhì)純化系統(tǒng)，用5 倍柱體積的結(jié)合緩沖液（0 mmol/L 咪唑、500 mmol/L NaCl、50 mmol/L NaH2PO4·2H2O，pH 8.0）平衡系統(tǒng)（2 mL/min）。依次用5 倍柱體積的結(jié)合緩沖液、清洗緩沖液（30 mmol/L 咪 唑、500 mmol/L NaCl、50 mmol/L NaH2PO4·2H2O，pH 8.0）及洗脫緩沖液（250 mmol/L咪唑、500 mmol/L NaCl、50 mmol/L NaH2PO4·2H2O，pH 8.0）洗脫蛋白質(zhì)，收集洗脫液。分別對粗酶液及洗脫液進行SDS-PAGE 檢測。利用Bradford 法測定蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度。

1.3.8 重組β-葡萄糖苷酶SmBgl3A 的酶活力測定以對硝基苯基-β-D-吡喃葡萄糖苷（pNPG）為底物測定SmBgl3A 的酶活力，反應(yīng)體系包括250 μL 1.25 mmol/L pNPG 和250 μL酶液，35 ℃反 應(yīng)30 min 后，加入1 mL 1 mol/L Na2CO3終止反應(yīng)，在405 nm 處檢測吸光度，以滅活蛋白質(zhì)作空白對照，每組設(shè)置3 個平行樣。

酶活力單位定義：在pH 6.5、35 ℃條件下，每分鐘水解pNPG 釋放出1 μmol pNP 所需要的酶量為1 U。

以纖維二糖為底物測定SmBgl3A 的酶活力，反應(yīng)體系包括250 μL 1 g/dL 纖維二糖和250 μL 酶液，35 ℃反應(yīng)30 min 后，沸水浴10 min 終止反應(yīng)。10 000 g 離心5 min，取上清液，利用離子色譜法測定葡萄糖的生成量，離子色譜條件為：進樣量為10 μL，流動相流量為0.4 mL/min，用體積分數(shù)98%的200 mmol/L NaOH 洗脫，分析柱及保護柱溫度為30 ℃。以滅活蛋白質(zhì)作空白對照，每組設(shè)置3 個平行樣。

酶活力單位定義：在pH 6.5、35 ℃條件下，每分鐘水解纖維二糖釋放出1 μmol 葡萄糖所需要的酶量為1 U。

以其他底物測定SmBgl3A 的酶活力，反應(yīng)體系包括250 μL 1 g/dL 的底物和250 μL 酶液，35 ℃反應(yīng)30 min 后，沸水浴10 min 終止反應(yīng)。10 000 g 離心5 min，取150 μL 上清液與200 μL 的DNS 試劑混合，煮沸5 min，冷卻后向其中加入900 μL 的蒸餾水，在540 nm 處檢測吸光度。以滅活蛋白質(zhì)作空白對照，每組設(shè)置3 個平行樣。

酶活力單位定義：在pH 6.5、35 ℃條件下，每分鐘水解底物釋放出1 μmol 還原糖所需要的酶量為1 U。

1.3.9 重組β-葡萄糖苷酶SmBgl3A 酶學(xué)性質(zhì)表征

1）SmBgl3A 最適反應(yīng)溫度和熱穩(wěn)定性的測定在25～80 ℃，每隔5 ℃作為一個測量點，于50 mmol/L 磷酸鹽緩沖溶液（pH 6.5）中，測定酶活力。以最大值為100%，分別計算不同溫度下的相對酶活力，以此確定SmBgl3A 的最適反應(yīng)溫度。

將SmBgl3A 酶蛋白分別在25～80 ℃條件下（每隔5 ℃作為一個測量點）孵育2 h，在最適條件下測定殘余酶活力。以未經(jīng)處理的酶液為對照，計算殘余酶活力占對照酶活力的百分比（相對酶活力），以此測定SmBgl3A 的熱穩(wěn)定性。

2）SmBgl3A 最適反應(yīng)pH 和pH 穩(wěn)定性的測定分別用不同pH 的緩沖液稀釋酶液，在最適溫度下反應(yīng)30 min，測定酶活力。以最大值為100%，分別計算不同pH 條件下的相對酶活力，以此測定最適反應(yīng)pH。緩沖體系包括：檸檬酸-檸檬酸鈉體系（pH 4.0～6.0），NaH2PO4-Na2HPO4體系（pH 6.0～8.0）；NaH2PO4-K2HPO4體系（pH 8.0～9.0）。

將SmBgl3A 酶蛋白分別在不同pH 的緩沖液中孵育2 h，然后在最適條件下測定殘余酶活力。以未經(jīng)處理的酶液為對照，計算殘余酶活力占對照酶活力的百分比（相對酶活力），以此測定SmBgl3A 的pH 穩(wěn)定性。

3）SmBgl3A 的底物特異性測定 分別以1.25 mmol/L 芳香基糖苷（對硝基苯基-β-D-吡喃葡萄糖苷（pNPG）、4-硝基苯基-β-D-吡喃木糖苷（pNPX）、4-硝基苯基-β-D-纖維二糖苷（pNPC）、4-硝基苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷（pNP（α）G））、終質(zhì)量濃度為1 g/dL 的二糖（纖維二糖、乳糖、蔗糖、麥芽糖）及多糖（微晶纖維素avicel、普魯蘭糖、木聚糖、殼寡糖、幾丁質(zhì)、黃原膠）、濾紙、CMC-Na、水楊苷為底物，在35 ℃、pH 6.5 的條件下反應(yīng)，測定產(chǎn)物生成量，參照1.3.8 的方法，計算酶的比活力。

4）SmBgl3A 的NaCl 耐受性測定 在酶反應(yīng)體系中分別添加終濃度為0～2 500 mmol/L 的NaCl 溶液。參照1.3.8 所述方法測定殘余酶活力，將不添加NaCl 的酶活力設(shè)置為100%，計算殘余酶活力占對照酶活力的百分比（相對酶活力）。

5）金屬離子對SmBgl3A 酶活力的影響 在酶反應(yīng)體系中分別加入終濃度為10 mmol/L 的Mg2+、Li+、Mn2+、Na+、Fe2+、K+、Ca2+、Zn2+、Cu2+、Fe3+等金屬離子鹽溶液及EDTA，以未添加金屬離子溶液的酶活力為100%，測定金屬離子對SmBgl3A 酶活力的影響。

6）SmBgl3A 的葡萄糖耐受性測定 在酶反應(yīng)體系中分別添加終濃度為0～2 000 mmol/L 的葡萄糖溶液。參照1.3.8 所述方法測定殘余酶活力，將不添加葡萄糖組的酶活力設(shè)置為100%，計算殘余酶活力占對照酶活力的百分比（相對酶活力）。

7）SmBgl3A 的酶促反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)測定 以pNPG 為底物，測定SmBgl3A 的酶促反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)。250 μL 酶液分別與等體積終濃度為0.1～5.0 mmol/L 的pNPG 溶液混合，測定反應(yīng)初速度，確定反應(yīng)時間，計算不同底物濃度下的反應(yīng)速度，采用雙倒數(shù)作圖法，以1/[S]為橫坐標，1/V 為縱坐標，計算動力學(xué)參數(shù)。

以纖維二糖為底物，測定SmBgl3A 的酶促反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)。250 μL 酶液分別與等體積終濃度為0.5～50.0 mmol/L 的纖維二糖溶液混合，測定反應(yīng)初速度，確定反應(yīng)時間，計算不同底物濃度下的反應(yīng)速度，采用雙倒數(shù)作圖法，以1/[S]為橫坐標，1/V 為縱坐標，計算動力學(xué)參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生孢噬纖維菌Sporocytophaga sp.CX11 中不同β-葡萄糖苷酶基因的表達水平分析

通過基因注釋以及NCBI 數(shù)據(jù)庫比對分析，在生孢噬纖維菌Sporocytophaga sp.CX11 基因組中共挖掘到7 個β-葡萄糖苷酶基因。其中，所對應(yīng)的蛋白酶SmBgl1A 為GH1 家族的糖苷水解酶，SmBgl3A、SmBgl3B、SmBgl3C、SmBgl3D、SmBgl3E 以及SmBgl3F 均為GH3 家族的糖苷水解酶。為了從中篩選出在降解纖維二糖過程中起關(guān)鍵作用的β-葡萄糖苷酶，利用實時熒光定量PCR 技術(shù)對上述編碼基因在不同碳源培養(yǎng)條件下的相對表達水平進行了分析。結(jié)果如圖1 所示，7 個β-葡萄糖苷酶基因在以纖維二糖為碳源的培養(yǎng)基中的表達水平均高于以葡萄糖為碳源的培養(yǎng)基中的表達水平，其中SmBgl3A 在以纖維二糖為碳源的培養(yǎng)基中的表達水平是在以葡萄糖為碳源的培養(yǎng)基中表達水平的18 倍，上調(diào)最為顯著。且SmBgl3A 的表達量相對較高，推測其可能在生孢噬纖維菌Sporocytophaga sp.CX11 降解纖維二糖的過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，解除纖維二糖對內(nèi)切纖維素酶及外切纖維素酶的產(chǎn)物抑制作用，提高Sporocytophaga sp.CX11 菌株降解纖維素的效率。

圖1 生孢噬纖維菌Sporocytophaga sp.CX11 β-葡萄糖苷酶基因在不同碳源條件下的相對表達量Fig.1 Relative expression level of β-glucosidase genes from Sporocytophaga sp.CX11 in different carbon sources

2.2 新型β-葡萄糖苷酶SmBgl3A 的序列分析

SmBgl3A（NCBI 登錄號No.OL653716）編碼的蛋白質(zhì)由760 個氨基酸組成，該蛋白質(zhì)由信號肽、GH3 催化結(jié)構(gòu)域及Fibronectin type Ⅲ-like domain（FnⅢ）結(jié)構(gòu)域組成。其中，GH3 催化結(jié)構(gòu)域主要由22 個α-螺旋和17 個β-折疊構(gòu)成，F(xiàn)nⅢ結(jié)構(gòu)域主要由8 個β-折疊組成，這種結(jié)構(gòu)在GH3 家族β-葡萄糖苷酶中普遍存在[21]。圖2 為SmBgl3A 與PDB 數(shù)據(jù)庫中GH3 家族β-葡萄糖苷酶多重氨基酸序列比對結(jié)果，其中SmBgl3A 與Bacteroides ovatus 來源的BoGH3B[15]（NCBI 登錄號No.WP_004298458.1）的同源性最高，為46.76%。據(jù)報道，在GH3 家族β-葡萄糖苷酶中，參與催化反應(yīng)的氨基酸主要包括一個親核催化殘基和一個酸/堿催化殘基。其中，親核催化殘基非常保守，通常是天冬氨酸，而作為廣義酸堿對的催化殘基卻并不保守[22]，一般為谷氨酸。經(jīng)過比對分析推斷，SmBgl3A 保守的親核催化殘基為D308。

圖2 β-葡萄糖苷酶SmBgl3A 與其他GH3 家族β-葡萄糖苷酶多重氨基酸序列比對結(jié)果Fig.2 Multiple amino acid sequences blast of β -glucosidase SmBgl3A with other β-glucosidase from GH3 families

2.3 重組β-葡萄糖苷酶SmBgl3A 的表達與純化

將重組大腸桿菌菌株接種至LLB 培養(yǎng)基中，培養(yǎng)至OD600達到0.6 左右時加入IPTG 誘導(dǎo)培養(yǎng)16 h。SDS-PAGE 分析結(jié)果（見圖3）表明，SmBgl3A 表達量相對較高，經(jīng)純化后，得到電泳純的目的蛋白質(zhì)，且與理論相對分子質(zhì)量（8.12×104）一致。酶活力測定結(jié)果顯示，以pNPG 為底物時，SmBgl3A 的比活力為 14.74 U/mg。該酶的比活力高于細菌Actinomadura amylolytica YIM 77502T[22]（4.6 U/mg）來源、真菌Sporothrix schenckii[23]（0.801 U/mg）來源、植物Cyamopsis tetragonoloba[24]（6.6 U/mg）來源的β-葡萄糖苷酶。

圖3 重組蛋白質(zhì)SmBgl3A 親和層析純化的SDS-PAGE分析Fig.3 SDS-PAGE analysis of the purification of SmBgl3A by affinity chromatography

2.4 重組β-葡萄糖苷酶SmBgl3A 的酶學(xué)性質(zhì)分析

2.4.1 溫度和pH 對SmBgl3A 酶活力的影響SmBgl3A 的最適反應(yīng)溫度曲線如圖4（a）所示，在25～35 ℃時，酶活力隨著反應(yīng)溫度的升高而升高，35 ℃時酶活力最高；隨著溫度的繼續(xù)升高，酶活力逐漸降低，60 ℃時基本失活。熱穩(wěn)定性結(jié)果如圖4（b）所示，SmBgl3A 在40 ℃條件下孵育2 h 后仍保留40%以上的酶活力，45 ℃條件下穩(wěn)定性有較大幅度的下降。最適pH 結(jié)果如圖5（a）所示，SmBgl3A 在pH 6.5 時酶活力最高，在pH 5.0～8.0 時可表現(xiàn)出50%以上的相對酶活力。pH 穩(wěn)定性結(jié)果如圖5（b）所示，SmBgl3A 在pH 5.0～7.0 的條件下，在35 ℃孵育2 h 后，殘余酶活力（相對酶活力）在50%以上；在pH 低于4.5 及pH 高于8.0 時，殘余酶活力有較大幅度的下降，說明SmBgl3A 有一定的酸堿適應(yīng)能力。GH3 家族β-葡萄糖苷酶的最適溫度一般較高，多在50～70 ℃，且具有較好的熱穩(wěn)定性，例如來源于Bifidobacterium adolescentis[25]的β-葡萄糖苷酶BaBgl3 的最適溫度為45 ℃，來源于Penicillium citrinum UFV1[21]的β-葡萄糖苷酶PcβGlu2 在50 ℃孵育13 h，仍能保持50%的酶活力，這種特性對于工業(yè)應(yīng)用來說非常有利[16]；GH3 家族β-葡萄糖苷酶的最適pH 一般在4.0～6.5，且在酸性范圍內(nèi)穩(wěn)定性較好[17]，例如來源于Penicillium citrinum UFV1[26]的β-葡萄糖苷酶PcβGlu1 最適pH 為5.0，且在pH 4.0～8.0 時穩(wěn)定性較好，與SmBgl3A 的pH 穩(wěn)定性類似。

圖4 重組蛋白質(zhì)SmBgl3A 的最適溫度及熱穩(wěn)定性Fig.4 Optimal temperature and thermal stability of recombinant protein SmBgl3A

圖5 重組蛋白質(zhì)SmBgl3A 的最適pH 及pH 穩(wěn)定性Fig.5 Optimum pH and pH stability of recombinant protein SmBgl3A

2.4.2 SmBgl3A 的底物特異性分析 SmBgl3A 的底物特異性分析結(jié)果如表2 所示，SmBgl3A 對芳香族底物pNPG 和pNPX 具有水解活性，且對pNPG 的活性最高。除此之外，SmBgl3A 還能水解pNPC，這意味著其可以水解纖維寡糖，但是對pNP（α）G 不具有活性。在天然底物中，SmBgl3A 對纖維二糖活性最高，其次是水楊苷，對蔗糖、CMC-Na、avicel 和普魯蘭糖有微弱的酶活力，對麥芽糖、乳糖、黃原膠、木聚糖、殼寡糖、幾丁質(zhì)、濾紙均未檢測到活性。GH3 家族的β-葡萄糖苷酶可水解的底物類型很多樣，除可強烈水解pNPG 外，部分β-葡萄糖苷酶還可水解4-硝基苯基-β-D-半乳糖苷、纖維二糖、纖維三糖、纖維四糖等[27]。

表2 SmBgl3A 的底物特異性Table 2 Substrate specificity of SmBgl3A

2.4.3 NaCl 對SmBgl3A 酶活力的影響 測定NaCl對SmBgl3A 酶活力的影響，結(jié)果如圖6 所示。NaCl濃度在0～400 mmol/L 時，SmBgl3A 的酶活力有小幅度下降，但仍能保留90%以上活性；NaCl 濃度在400～800 mmol/L 時，酶活力相對穩(wěn)定，相對酶活力約為90%；當(dāng)NaCl 濃度在800～2 500 mmol/L 時，SmBgl3A 酶活力開始較大幅度降低，但是當(dāng)NaCl濃度達到2 500 mmol/L 時，仍能保留約50%的活性。據(jù)報道，只有少數(shù)的β-葡萄糖苷酶具有較好的NaCl 耐受性，如來源于Alteromonas sp.L82 的β-葡萄糖苷酶Bgl[28]在NaCl 濃度為1 000 mmol/L 時的相對酶 活力為 90.7%，來源于 Bacillus cellulosilyticus 的β-葡萄糖苷酶BcBgl1A[29]在NaCl濃度為1 000 mmol/L 時的相對酶活力為62.3%。而在相同NaCl 濃度下，SmBgl3A 仍能保存80%以上的相對酶活力，說明SmBgl3A 具有較好NaCl 耐受性。在工業(yè)應(yīng)用中，β-葡萄糖苷酶在復(fù)雜的外部環(huán)境中仍能保持活性非常重要，較好的NaCl 耐受性使β-葡萄糖苷酶在工業(yè)上具有更大的應(yīng)用潛力，可以嘗試應(yīng)用于海洋食品加工、生物乙醇生產(chǎn)等領(lǐng)域[30]。

圖6 重組蛋白質(zhì)SmBgl3A 的NaCl 耐受性Fig.6 NaCl tolerance of recombinant protein SmBgl3A

2.4.4 金屬離子對SmBgl3A 酶活力的影響 在酶反應(yīng)體系中分別加入終濃度為10 mmol/L 的Mg2+、Li+、Mn2+、Na+、Fe2+、K+、Ca2+、Zn2+、Cu2+、Fe3+等金屬離子鹽溶液及EDTA，測定金屬離子對SmBgl3A 酶活力的影響（見圖7）。結(jié)果表明，Mg2+和Li+對酶活力有少許激活作用，相對酶活力分別達104%和103%；其余8 種金屬離子及EDTA 對酶活力均有抑制作用，其中Fe3+能夠完全抑制酶活力。一般而言，金屬離子對不同β-葡萄糖苷酶的活性影響有很大區(qū)別。梁金鳳等分離獲得的β-葡萄糖苷酶，其酶活力經(jīng)Zn2+激活，受Fe2+抑制，而Cu2+、EDTA 對其活性基本無影響[33]。王劍鋒等分離獲得的β-葡萄糖苷酶，酶活力經(jīng)Fe2+激活，被Cu2+抑制[34]。

圖7 金屬離子對SmBgl3A 酶活力的影響Fig.7 Effect of metal ions on the enzyme activity of SmBgl3A

2.4.5 葡萄糖對SmBgl3A 酶活力的影響 測定葡萄糖對SmBgl3A 酶活力的影響，結(jié)果如圖8 所示，SmBgl3A 的IC50 小于25 mmol/L，對葡萄糖較敏感。正如報道的那樣，GH3 家族的β-葡萄糖苷酶的IC50 通常小于100 mmol/L[31]。提高SmBgl3A 對葡萄糖的耐受性，對其在工業(yè)中的應(yīng)用具有十分重要的意義。

圖8 重組蛋白質(zhì)SmBgl3A 的葡萄糖耐受性Fig.8 Glucose tolerance of recombinant protein SmBgl3A

2.4.6 SmBgl3A 酶促反應(yīng)動力學(xué)分析 測定SmBgl3A 水解pNPG 及纖維二糖的酶促反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表3 所示，SmBgl3A 對pNPG 的親和力較好，催化效率更高。SmBgl3A 對纖維二糖的催化效率遠高于Actinomadura amylolytica YIM 77502T[22]來源的β-葡萄糖苷酶（10.7 s-1）。同時SmBgl3A 對pNPG 的催化效率也高于Actinomadura amylolytica YIM 77502T 來源的β-葡萄糖苷酶（5.5 s-1）。

表3 SmBgl3A 的動力學(xué)參數(shù)Table 3 Kinetic parameters of SmBgl3A

3 結(jié)語

從生孢噬纖維菌Sporocytophaga sp.CX11 基因組中篩選出在纖維二糖降解過程中起關(guān)鍵作用的β-葡萄糖苷酶基因（SmBgl3A），該基因編碼的蛋白質(zhì)同一些已報道的GH3 家族β-葡萄糖苷酶氨基酸序列同源性較高，其中，與Bacteroides ovatus 來源的β-葡萄糖苷酶BoGH3B 同源性為46.76%。將該基因在大腸桿菌中異源表達，得到純酶相對分子質(zhì)量為8.12×104。SmBgl3A 的最適 底物為pNPG，對pNPG 比活力高達14.74 U/mg，最適pH 為6.5，最適溫度為35 ℃，且pH 在5.0～7.0、溫度在40 ℃以下時，穩(wěn)定性較好。SmBgl3A 具有較好的NaCl 耐受性，使其在食品、藥品等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛。但SmBgl3A 的酶活力及穩(wěn)定性還有待提高，糖基化修飾是改善酶活力及穩(wěn)定性的有效手段。經(jīng)過糖基化位點的預(yù)測可知，SmBgl3A 存在4 個潛在的N-糖基化位點（N137、N161、N459、N483）。有研究表明，將細菌來源的基因在畢赤酵母中表達時，分泌表達的酶蛋白會被糖基化修飾，能夠明顯改善酶的熱穩(wěn)定性[32]。在后續(xù)研究中，可將SmBgl3A 的基因在畢赤酵母中異源表達，以提高酶活力及穩(wěn)定性。作者將一種新型的來自于生孢噬纖維菌Sporocytophaga sp.CX11 的β-葡萄糖苷酶基因在大腸桿菌中進行異源表達，并對重組蛋白質(zhì)的酶學(xué)性質(zhì)進行了表征，為挖掘新型β-葡萄糖苷酶及其功能應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，也為該酶的進一步工業(yè)化應(yīng)用提供參考與借鑒。