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利用功能宏基因组技术对北极、大西洋海底沉积物中的新型蛋白酶、酯酶进行筛选、鉴定和性质研究

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摘要

符号说明及缩略词

第一章 研究背景和立题依据

1.1 研究背景

1.1.1 蛋白酶的概述

1.1.2 酯类水解酶概述

1.1.3 宏基因组学

1.1.4 功能宏基因组在研究在蛋白酶、酯酶/脂肪酶方面的研究进展

1.1.5 采样位点信息介绍

1.2 立题依据和研究内容

1.2.1 立题依据

1.2.2 研究内容

第二章 通过构建宏基因组文库筛选北极、大西洋海底沉积物中的蛋白酶、酯类水解酶基因

2.1 引言

2.2 实验材料

2.2.1 环境样品及实验菌株

2.2.2 培养基

2.2.3 主要试剂和试剂盒

2.2.4 主要仪器设备

2.2.5 数据库和分析软件

2.3 实验方法

2.2.1 环境样品的采集

2.3.2 环境样品基因组DNA提取

2.3.3 环境样品基因组DNA的纯化

2.3.4 宏基因组文库的构建

2.3.5 宏基因组文库的功能筛选和克隆子纯化

2.3.6 亚克隆文库的构建以及活性筛选

2.3.7 蛋白酶基因的获取和序列分析

2.4 结果与分析

2.4.1 北极海底沉积物宏基因组文库的构建

2.4.2 大西洋深海表层沉积物fosmid宏基因组文库的构建

2.4.3 Fosmid宏基因组的活性筛选及克隆子纯化

2.4.4 通过构建亚克隆文库确定编码蛋白酶的基因序列

2.4.5 编码蛋白酶基因的序列分析

2.5 讨论

第三章 蛋白酶的异源表达及其酶学性质研究

3.1 引言

3.2 实验材料

3.2.1 环境样品及实验菌株

3.2.2 培养基

3.2.3 主要试剂和试剂盒

3.2.4 主要仪器设备

3.2.5 数据库和分析软件

3.3 实验方法

3.3.1 蛋白酶3C的基因克隆

3.3.2 重组酶的异源表达

3.3.3 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)检测

3.3.4 胞内蛋白酶的分离纯化

3.3.5 胞外蛋白酶的分离纯化

3.3.6 蛋白酶的活性检测

3.3.7 蛋白浓度测定

3.3.8 最适反应温度及温度稳定性分析

3.3.9 最适反应pH

3.3.10 NaCl对酶活性的影响

3.3.11 金属离子对酶活性的影响

3.2.12 抑制剂与变性剂对酶活性的影响

3.4 结果与分析

3.4.1 蛋白酶3C的基因克隆

3.4.2 蛋白酶3C基因序列分析以及结构域分析

3.4.2 蛋白酶3C的异源表达

3.4.3 胞内蛋白酶3C的分离纯化及活性检测

3.4.4 胞外蛋白酶3C的表达及纯化

3.4.5 蛋白酶3C Superdex-75凝胶过滤层析纯化效果分析

3.4.6 蛋白酶3C底物特异性分析

3.4.7 最适反应温度及温度稳定性分析

3.4.8 最适pH分析

3.4.9 NaCl对酶活的影响

3.4.10 金属离子对酶活的影响

3.4.11 抑制剂对酶活的影响

3.5 讨论

全文总结与展望

参考文献

致谢

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摘要

蛋白酶作为工业三大用酶之一,同时也是用途最广泛的酶制剂之一,其在世界酶类销售总额中占据了60%,在食品、医药、洗涤剂、化妆品、纺织、制革、保健品以及废物处理等行业都有着很好的应用前景。通过宏基因组技术,已经从矿坑/堆肥土、泥土、戈壁/沙漠等环境中分别筛选到了具有新型结构域的金属蛋白酶、可分解纤维蛋白的金属蛋白酶、新型丝氨酸蛋白酶等;丰富了蛋白酶的种类,为蛋白酶的工业应用提供了资源。但是目前通过宏基因组技术筛选到的蛋白酶只适合于理论基础研究,不能应用于工业生产。酯类水解酶(包括酯酶和脂肪酶)能稳定存在于有机溶剂中,其催化的反应具有高立体选择性、高区域选择性、不需要辅因子、不发生副反应等,这使得酯酶和脂肪酶广泛应用于工业、制药和食品等领域。已从土壤、淡水、热液口、表层和深层海底沉积物等多种环境中筛选到酯类水解酶,但大多数不具备工业应用价值。因此,需要继续开展宏基因组研究以获取具有更高工业价值的蛋白酶、酯类水解酶。
  一、通过构建宏基因组文库筛选北极、大西洋海底表层沉积物样品中的蛋白酶、酯类水解酶基因
  构建了北极黄河站王湾stn.3位点海底表层沉积物fosmid宏基因组文库,文库容量为2700,包含的环境基因组DNA约为94.5Mbp。对ST3宏基因组文库进行功能筛选,获得了2个蛋白酶阳性克隆(12-3C、21-5G)。Fosmid中表达蛋白酶的基因序列比对分析结果显示,蛋白酶3C从属于M4_uncharacterized家族;蛋白酶5G从属于M10A/M12A家族;在NCBInr数据库中与它们相似的基本都是基因组预测蛋白和假想蛋白。
  利用大西洋26Ⅱ-NAR-S009-TVG05/07两个位点的深海表层沉积物样品,构建了一个库容量约为17000的fosmid宏基因组文库,该文库包含的环境基因组DNA约为595Mbp。通过功能筛选,得到了3个携带酯类水解酶基因的fosmid克隆和5个可表达蛋白酶的fosmid克隆。
  二、蛋白酶3C的序列分析、异源表达及酶学性质研究
  对蛋白酶3C的序列进行比对分析,与3C序列最相似的序列来源于Janthinobacteriumlividum的基因组假想蛋白,从属于M4uncharacterized家族,相似性为51%;在NCBInr数据库中与3C相似的大部分为来自微生物菌株基因组中的假想蛋白和预测蛋白。通过功能筛选获得的蛋白酶,可以就其理化性质进行研究,不但能够丰富该家族蛋白酶序列的多样性,而且能够了解该家族蛋白酶理化性质特点和应用潜力。随后,在EscherichiacoliBL21(DE3)中,对蛋白酶进行了异源表达和分离纯化。对收集的菌体超声破碎,镍亲和层析,纯化到的蛋白酶是酶原形式,没有活性。M4uncharacterized家族同源于M4家族,也被称作为thermolysin-likepeptidase(TLP)家族,这个家族一般包含一个信号肽、一个前导肽和一个肽酶单元三个结构域。信号肽辅助蛋白酶3C穿过内膜,在周质空间中,前导肽帮助3C正确折叠,蛋白酶生身消化去除前导肽,自发成熟。蛋白酶分泌到胞外成熟后才有活性,通过Superdex-75凝胶过滤层析纯化胞外蛋白酶3C,减少酶液中的杂蛋白,使比活力提高了2倍;活性电泳结果显示,3C有多种具有活性成熟形式,可能以不同的聚体形式存在。
  基因序列比对结果显示蛋白酶3C从属于M4家族,这与理化性质试验中抑制剂o-P、EDTA和EGTA能够完全抑制3C的酶活性一致;蛋白酶3C的最适酶活温度为40℃,最适pH为7。蛋白酶3C的酶活力受盐浓度的影响较大,低浓度的NaCl对酶活力有促进作用,接近于海水的NaCl浓度对3C的酶活力影响较小;随着盐浓度的提高,酶活性逐渐受到抑制,当NaCl浓度为2.25M时,酶活力下降到25%,说明3C对盐的耐受性不强。3C酶活力能够被大部分的二价金属离子抑制,一价金属离子对其影响很小,只有Mn2+对其活性有微弱的促进作用。

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