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含胆固醇氧化酶的菌株筛选、分离和鉴定及胆固醇氧化酶的蛋白质工程改造

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摘要

中英文缩略词

第一章 前言

1.1 胆固醇氧化酶

1.1.1 简介

1.1.2 产胆固酵氧化酶的菌种来源

1.1.3 胆固醇氧化酶的催化中心和反应机理

1.1.4 胆固醇氧化酶的实际应用

1.2 酶的催化混乱性学说以及多功能酶

1.2.1 简介

1.2.2 催化混乱性的分类

1.2.3 催化混乱性的生物学意义

1.2.4 催化混乱性的鉴定方法

1.3 本课题的选择和研究意义

第二章 材料和仪器

2.1 实验材料

2.1.1 培养基

2.1.2 菌株和质粒

2.1.3 工具酶、试剂盒和主要化学试剂

2.1.4 仪器

2.1.5 缓冲液的配置

第三章 方法

3.1 产胆固醇氧化酶的菌种筛选

3.1.1 产胆固醇氧化酶的菌种初筛和菌种保存

3.1.2 产胆固醇氧化酶的菌种复筛和菌种保存

3.2 胆固醇氧化酶的分离,纯化、编码基因重组、表达和再纯化

3.2.1 胆固醇氧化酶的分离纯化

3.2.2 氨基末端(N)和羧基末端(C)氨基酸序列测定和比对

3.2.3 胆固醇氧化酶基因的克隆和在E.coli中的表达和纯化

3.3 胆固醇氧化酶的理化性质测定

3.3.1 胆固醇氧化酶的最适pH测定

3.3.2 胆固醇氧化酶的最适温度测定

3.3.3 胆固醇氧化酶的有机溶剂耐受性测定

3.3.4 胆固醇氧化酶的底物谱测定

3.4.1 基本原理

3.4.2 全质粒的PCR扩增以及饱和突变

3.4.3 饱和突变菌株的活力检测

3.4.4 突变菌株的胆固醇氧化酶的表达、纯化和活性测定

第四章 结果

4.1 产胆固醇氧化酶的菌株筛选

4.1.1 产胆固醇氧化酶的菌株初筛及复筛

4.1.2 菌种的保管和鉴定

4.2 胆固醇氧化酶的分离纯化

4.2.1 胆固醇氧化酶的分离和纯化

4.2.2 胆固醇氧化酶的蛋白质序列和基因序列的确定

4.2.3 胆固醇氧化酶的基因的克隆、重组及其表达产物的纯化

4.3 胆固醇氧化酶的理化性质测定

4.3.2 胆固醇氧化酶的最适温度测定

4.3.3 胆固醇氧化酶的有机溶剂耐受性测定

4.3.4 胆固醇氧化酶的底物谱测定

4.4 pBAD/M-ChOx质粒的饱和突变

4.4.1 胆固醇氧化酶的饱和突变筛选及其表达产物的纯化

4.4.2 突变体纯酶的活力检测

第五章 讨论

第六章 结论和展望

附录

参考文献

致谢

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摘要

目的:从天然环境中筛选高胆固醇氧化酶活性的菌株,对其进行鉴定,分离酶基因,将其体外基因重组并进行蛋白质工程修饰,以提高酶活性。
  方法:(1)以胆固醇为唯一碳源,初筛含胆固醇氧化酶的菌株。将菌株接种到液体养基中进行恒温培养,对培养液上清进行硅胶薄层层析检测。选取有明显新产物斑点产生的培养液进行气相色谱-质谱检测,筛选高胆固醇氧化酶活性的菌株。通过试剂盒提取得到菌株的基因组,并进行16S rDNA序列比对,确定菌株种属。(2)选择一株菌株进行培养,细胞破碎后进行盐析、弱阴离子交换层析、疏水层析和分子筛层析,得到胆固醇氧化酶纯品。通过Edman法和羧肽酶法测得该酶氨基酸链两端的残基序列,在数据库中比对得到编码基因序列。基因通过聚合酶链式反应扩增、重组和转化导入E.coli Top10细胞并表达,对其产物进行纯化。(3)测定酶的最适pH、最适温度、有机溶剂耐受性以及底物谱等理化性质。(4)制作酶的三维模型,并与底物分子对接,根据模型选择位点进行饱和突变和表达。纯化突变体的高胆固醇氧化酶并测定其理化性质。
  结果:通过筛选得到了3株高效菌株,鉴定结果分别为Cellulosimicrobium,Stenotrophomonas sp.和Arthrobacter sp.,选择Arthrobacter sp.为研究对象,并得到胆固醇氧化酶。该酶最适pH为7,最适温度为40℃,在最适条件下Km为1.41 mM/L,酶活力为94.7 U/mg。其对N,N-二甲基甲酰胺、甲醇和二甲基亚砜表现出良好的有机溶剂耐受性。其可转化的底物包括胆固醇、β-谷甾醇、孕烯醇酮和手性化合物3,5,5-三甲基-2-环己烯-1-醇等,其中对3,5,5-三甲基-2-环己烯-1-醇几乎没有手性选择性。根据三维对接模型选择了底物结合口袋中的Glu144,Gly160和Asn164位点进行饱和突变。其中Glu144位点变为Tyr后该酶对底物3,5,5-三甲基-2-环己烯-1-醇的催化活性可以提高5倍,且对底物的手性选择性达到9.8%;Glu144位点变为Met后可使该酶对底物的手性选择性达到14.92%;Gly160位点突变为Thr后该酶对底物胆固醇的催化活性可提高565.77%。
  结论:筛选出含胆固醇氧化酶的菌株,并得到其编码基因,且成功对其进行克隆,得到表达产物并进行纯化和其理化性质分析。对该酶进行饱和突变改造,有效地提高了对特定底物的活性,提高了对底物的立体结构选择性。

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