Nocardia farcinica聚酰胺酶的表达及锦纶改性应用研究

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酰胺酶(EC3.5.1.4)是一类能够催化水解酰胺键生成相应氨基和羧基的水解酶,在工业上主要应用于丙烯酸、烟酸等重要化工原料的生产。近几年发现来源于Nocardiafarcinica的聚酰胺酶能够催化水解锦纶(polyamide,PA),在PA表面改性方面具有潜在应用价值。但是目前野生菌酰胺酶产量很低,发酵周期长,无法实现工业化应用,因此通过基因工程手段,提高聚酰胺酶的产量,是实现聚酰胺酶工业化生产和应用的必由之路。本研究主要对诺卡氏菌N.farcinicaCGMCC4.1166的聚酰胺酶基因进行克隆表达,并对重组酶进行分离纯化及酶学定性;对重组聚酰胺酶应用于PA表面改性的效果进行了深入研究;进一步研究聚酰胺酶的空间结构,初步探究了聚酰胺酶能够水解PA的原因。主要研究结果如下:(1)确定N.farcinica CGMCC4.1166来源的聚酰胺酶对PA的表面改性效果。与磷酸缓冲液、Cnamidase相比,聚酰胺酶和处理后PA的吸水高度和上染率有明显提高,因此初步确定来源于N.farcinica CGMCC4.1166的聚酰胺酶能够水解PA。(2)为了进一步提高聚酰胺酶的产量,构建了重组菌pT7-7-AMID-BL21(DE3),成功实现了聚酰胺酶在E.coliBL21(DE3)中的可溶性表达。重组菌每毫升发酵液菌体破壁上清平均酶活约为0.6U,为野生酶酶活的30倍。(3)对重组聚酰胺酶进行分离纯化和酶学性质分析。结果表明重组聚酰胺酶的最适温度为50°C,最适pH为8.0,不需要金属离子激活;聚酰胺酶为嗜温性水解酶,在30°C、40°C下具有较好的稳定性,其半衰期分别为140h和60h;40°C以上聚酰胺酶的稳定性较差,其中50°C下的半衰期仅为1.5h;重组酶可水解的底物范围比较广,对芳酰基和脂肪族酰胺类底物具有较高的酶活,但无法水解己内酰胺和丙烯酰胺;以己酰胺为底物,30°C,pH7.0,重组聚酰胺酶的Km值为1.82mM,Vmax为4.5U/mg,Kcat为9.23s-1。(4)考察了重组聚酰胺酶对PA的改性效果。与磷酸缓冲液、突变酶和Cnamidase相比,重组酰胺酶处理后PA的吸水高度分别提高了6.5cm、4.8cm、4.1cm,上染率分别提高了20.8%、10.1%和12.5%,基本能够达到碱处理效果。HPLC检测得到重组聚酰胺酶的处理液中存在PA纤维单体己二酸,说明了聚酰胺酶确实能够水解PA纤维结构中的酰胺键,提高PA纤维的性能。通过优化温度、pH、处理时间和摇床转速等因素对酶处理的影响,确定了酶处理的最优条件为:40°C,pH7.5,处理时间1h,摇床转速100rpm。(5)从空间结构上初步分析了聚酰胺酶能够水解PA的分子机制。推测酰胺酶区域A和区域B是影响底物特异性的关键,聚酰胺酶与底物结合过程中酶分子受到底物的诱导作用导致区域A和区域B构象改变,活性中心暴露而完成催化过程。
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