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利用木质纤维素生产生物乙醇,发展生物质能源,不仅可以减缓石油消耗,还可以保护环境,促进全球经济的可持续发展。丝状真菌斜卧青霉所产生的纤维素酶多是胞外酶,便于分离和提取,且所产生的纤维素酶各组分较为齐全。经过理化诱变选育的抗阻遏突变株的产酶量与瑞氏木霉相当,已被用于工业生产纤维素酶,并被用来将木质纤维素材料水解为可发酵的糖。然而,目前木质纤维素降解酶系的生产成本高和水解活性低是大规模工业化应用中的主要瓶颈。因此,通过研究与传统纤维素降解酶系具有协同作用的蛋白来提高酶的水解活性具有重要的意义。
斜卧青霉是本实验室从土壤中筛选得到的一株能够快速分解木质纤维素的青霉属菌,已应用基因组学、转录组学、蛋白组学等技术在酶系组成、合成调控等方面取得了一定的研究进展。本论文以斜卧青霉为研究对象,对其唯一一个在胞外蛋白中检测到的多糖单加氧酶基因进行了敲除,研究了其生物学功能。同时异源表达了斜卧青霉基因组中的3种多糖单加氧酶,研究了重组酶的生物学功能,这些研究有助于深入认识斜卧青霉的胞外酶系组成,对在基因水平上进一步开展菌株改造具有一定借鉴意义。
本论文的主要研究结果如下:
1.敲除并回补了斜卧青霉多糖单加氧酶PMO5633基因,对其生物学功能进行了比较系统的研究
利用融合PCR的方法构建了多糖单加氧酶PMO5633基因的敲除盒和回补盒,并通过原生质体转化的方法,成功的敲除并回补了该基因。多糖单加氧酶基因的敲除促进了生长,提高了胞外蛋白浓度和纤维素酶活力。敲除株△PMO在纤维素平板上的水解圈明显增大,在纤维素液体培养基中的生物量也增加。但在添加等量FPA的胞外酶液时,敲除株△PMO对微晶纤维素的降解能力低于野生株。
2.分析了斜卧青霉不同菌株在不同碳源上多糖单加氧酶基因及其相关基因的转录差异
利用RT-qPCR技术分析了斜卧青霉4种多糖单加氧酶基因及其相关基因(cel5A,cel7A,bglI,cdh)在不同培养基和不同菌株中的转录差异。结果表明,多糖单加氧酶基因和CDH基因与传统的纤维素酶基因是共调控的,但多糖单加氧酶基因的转录比传统的纤维素酶基因提前约12h。PMO1261与PMO5633基因在微晶纤维素培养基上的转录量分别为葡萄糖培养基上的30,000和80,000倍。敲除株△PMO中cdh和cel7A表达量与野生菌株比较,有6和12倍的上调。
3.在毕赤酵母中成功克隆表达了多种斜卧青霉多糖单加氧酶,研究了重组酶的酶学性质和协同作用
利用RT-qPCR的技术克隆了斜卧青霉的4种多糖单加氧酶基因,分别为PMO698,PMO1261,PMO5633,PMO6768基因。构建了四个基因在毕赤酵母中表达的重组质粒,成功的表达和纯化了前三种蛋白。PMO6768则未能成功表达。三种重组蛋白均被不同程度的翻译后修饰,其中PMO698和PMO5633被不同程度的N-糖基化。三种重组蛋白对微晶纤维素均没有水解产糖活力,但向含有金属离子和还原剂的传统纤维素酶系中加入三种重组蛋白,酶活力均有不同程度的提高,其中重组PMO5633可以成倍的促进球磨纤维素的水解。