甜橙来源法尼烯合成酶的异源表达及酶学性质研究

付闻文1,2,王均华1,2,李由然1,2,石贵阳1,2*

1(粮食发酵工艺与技术国家工程实验室(江南大学),江苏 无锡,214122) 2(江南大学 生物工程学院,江苏 无锡,214122)

摘 要 法尼烯是一种倍半萜化合物,在食品、香料等领域有广泛应用价值。法尼烯合成酶是法尼烯合成途径中的关键限速酶,对法尼烯的合成有重要催化作用。通过生物信息学方法获取了甜橙来源萜类合成酶(farnesene synthase from Citrus sinensis,FSCS)基因Fscs, 通过异源表达对其进行了功能鉴定,研究了重组酶的酶学性质并将其应用于酿酒酵母法尼烯合成。结果显示,在以法尼基焦磷酸为底物时,FSCS可催化其生成α-法尼烯;Mg2+为酶必需的辅因子,K+可促进产物生成,8 mmol/L以上Mn2+对产物生成有抑制作用,最适金属离子条件为30 mmol/L Mg2+, 40 mmol/L K+;最适反应温度为20 ℃,酶对高温耐受性差。将酶学性质应用于酿酒酵母重组表达菌株,最适金属离子条件下法尼烯产量提升了30%,达到43.76 mg/L;温度条件的改变对发酵后期法尼烯积累有一定促进作用。该研究对一种新的萜类合成酶进行了功能表征,并通过酶学性质研究为构建微生物细胞工厂高效生产法尼烯提供了参考。

关键词 法尼烯合成酶;酶学性质;法尼基焦磷酸;倍半萜;酿酒酵母

法尼烯是倍半萜化合物,存在于多种植物的叶片和果实中,是重要的信息素[1],在植物防御中发挥重要作用[2-3],也是柴油和喷气燃料的高效替代物[4]。法尼烯合成酶(farnesene synthase,FS)是法尼烯合成途径中的关键酶,催化前体法尼基焦磷酸(farnesyl diphosphate,FPP)生成法尼烯。

法尼烯在植物中含量极低,提取困难,利用合成生物学方法有望高效获得这一高值化学品[5]。FS是法尼烯合成途径中的关键酶,对法尼烯的生成具有重要调控作用[6-7]。目前已有多种植物来源的FS通过微生物异源表达被鉴定了功能,但仅对苹果、青蒿等来源的FS进行了详尽的酶学性质研究[8-11],对FS酶学性质认识的不足限制了其在合成生物学中的应用。法尼烯作为挥发性物质在柑橘中存在广泛[12],本研究拟通过基因挖掘及异源表达对一种甜橙来源的萜类合成酶(farnesene synthase from Citrus sinensis,FSCS)进行功能表征,并对酶学性质进行研究,以期将其应用于重组酿酒酵母合成法尼烯。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 菌株与质粒

本研究所用菌株和质粒见表1。

表1 本研究所用菌株和质粒
Table 1 Strains and plasmids used in this study

菌株和质粒相关特性来源菌株WH4YPH499 gal80△::loxp,his3::PGAL10-HMG1, trp1::PGAL1-HMG1, lys2::PGAL10-HMG1研究室BL21(DE3)E.coli,野生型,用于基因克隆研究室WH4-FscsWH4 gal80△::PTDH3-Fscs-TTPI1,G418r本研究JM109E.coli,野生型,用于基因克隆研究室质粒Ts-XTPKANMX,PTDH3和TTPI1研究室Ts-GAL80GAL80位点整合同源臂来源研究室Ts-xtpfscs筛选标记KANMX和Fscs独立表达盒本研究Ts gal80xtpfscsPTDH3-Fscs-TTPI1,loxp-KANMX-loxp,整合位点GAL80本研究pET28a-FscsE.coli表达载体,携带编码Fscs基因,Kanr本研究

1.1.2 仪器和试剂

限制性核酸内切酶(Sal Ⅰ,BamH Ⅰ,Nco Ⅰ,Dpn Ⅰ,Xba Ⅰ)、T4 DNA连接酶,美国Thermo Fisher;2×Taq PCR Master Mix、2×Phanta Max Master Mix,南京诺唯赞生物科技有限公司;质粒DNA 提取试剂盒、DNA 纯化试剂盒、DNA 凝胶回收试剂盒,康宁生命科学有限公司(上海);卡那霉素、氨苄青霉素、遗传霉素(geneticin,G418)、法尼烯标准品,美国Sigma;乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid,EDTA)、二硫苏糖醇(dithiothreitol,DTT)、异丙基硫代半乳糖苷(isopropyl β-D-thiogalactoside,IPTG),北京索莱宝科技有限公司;蛋白胨和酵母粉,OXOID;其余试剂均为国产或进口分析纯。

GCMS-QP 2020气质色谱-质谱联用仪,日本岛津公司;UltiMate 3000高效液相色谱仪,Thermo Scientific。

1.1.3 培养基及培养条件

酵母浸出粉胨葡萄糖(yeast extract peptone dextrose, YPD)培养基(g/L):酵母提取物10.0,胰蛋白胨20.0,无水葡萄糖20.0。

两相萃取发酵培养基(g/L):葡萄糖30.0,酵母粉10.0,蛋白胨20.0,十二烷(体积分数10%)。

TB(terrific broth)培养基(g/L):甘油5.0,蛋白胨12.0,酵母粉24.0,K2HPO412.5,KH2PO4 2.3。

大肠杆菌发酵培养条件:将种子液按体积分数3%接种量转接至50 mL发酵培养基,添加终质量浓度为30 μg/mL卡那霉素,于37 ℃、200 r/min摇床培养至OD600为0.6~0.8,加入终浓度为0.5 mmol/L IPTG诱导,于18 ℃、200 r/min摇床培养22 h。

酿酒酵母发酵培养条件:将种子液按体积分数2%接种量转接至30 mL发酵培养基,添加终质量浓度为30 g/L葡萄糖溶液,体积分数10%的十二烷,于30 ℃、200 r/min摇床培养72 h。

1.2 实验方法

1.2.1 氨基酸序列分析

将NCBI数据库中大豆来源FS(登录号:NM_001353335.1)氨基酸序列用BLAST比对,选择序列相似度为53%的Fscs,借助DNAMAN进行关键位点分析。

1.2.2 重组表达质粒构建

1.2.2.1 原核表达质粒pET28a-Fscs构建

根据E.coli密码子偏好优化并基因合成pUC57-Fscs,在两端分别加入酶切位点BamH Ⅰ、Sal Ⅰ。提取质粒,用Sal Ⅰ、BamH Ⅰ双酶切并胶回收,将载体pET28a用Sal Ⅰ、BamH Ⅰ双酶切并线性化。将基因片段与载体于16 ℃条件下连接,连接产物转入DE3感受态,涂布卡那抗性平板,于37 ℃恒温烘箱中培养10~12 h,挑取转化子,提取质粒双酶切验证并测序。构建表达质粒pET28a-Fscs所需引物见表2。

表2 构建pET28a-Fscs表达质粒所用引物
Table 2 Primers for the construction of plasmid carrying Fscs

引物名称引物序列(5’→3’)长度/bpFscs-BamH Ⅰ-FCGGGATCCATGGAGCAAGGTAAACAATTGGGTCAC35Fscs-Sal Ⅰ-R ACGCGTCGACTTAGCTAAATGGGCTAGGAGGCATAGG37

注:下划线为酶切位点

1.2.2.2 真核表达质粒Ts gal80-xtpfscs的构建

质粒Ts-xtpfscs的构建:将针对Saccharomyces cerevisiae密码子优化合成的pUC57-Fscs提取质粒,用Sal Ⅰ、BamH Ⅰ双酶切并胶回收;提取质粒Ts-XTP,反向PCR准备载体,PCR产物用Dpn Ⅰ消化并用Sal Ⅰ、BamH Ⅰ双酶切;将目的片段与载体于16 ℃条件下连接,转化JM109感受态,筛选正确转化子,酶切验证后保藏菌株。

质粒Ts gal80-xtpfscs的构建:提取质粒Ts-xtpfscs,用Xba Ⅰ酶切后胶回收;提取质粒Ts-GAL80,反向PCR准备载体并用Xba Ⅰ酶切;后续实验步骤同质粒Ts-xtpfscs的构建。构建质粒所需引物见表3。

Ts gal80-xtpfscs醋酸锂转化酿酒酵母WH4:活化酿酒酵母WH4菌株,培养至OD600=0.6;将Ts gal80-xtpfscs用Nco Ⅰ酶切并纯化,进行酿酒酵母醋酸锂转化实验。涂布G418抗性培养基,筛选转化子进行菌落PCR及基因组验证。

表3 构建Ts-xtpfscs及Ts gal80-xtpfscs表达质粒所用引物
Table 3 Primers for the construction of plasmids Ts-xtpfscs and Ts gal80-xtpfscs

引物名称 引物序列(5’→3’)长度/bpXTP-Sal I-7ACGCGTCGACTTTGTTTGTTTATGTGTGTTTATTC35XTP-BamH I-8CGCGGATCCGCGGATTAATATAATTATATAAAAATAT37GAL80-Xba Ⅰ-3CATGTCTAGAAAGCATCTTGCCCTGTGCT30GAL80-Xba Ⅰ-4CATGTCTAGAGACGGGAGTGGAAAGAACG29

注:下划线为酶切位点

1.2.3 重组pET28a-Fscs的诱导表达及蛋白纯化

以0.5 mmol/L IPTG为诱导剂,18 ℃、200 r/min发酵22 h使蛋白表达。收集发酵液于4 ℃、8 000 r/min离心10 min,收集菌体,用20 mmol/L磷酸钠缓冲液(pH 7.4)振荡重悬洗涤细胞2次,超声破碎菌体8~10 min,于4 ℃、12 000 r/min离心10 min,上清液即为粗酶液。用镍柱对FSCS粗酶液进行纯化,并将纯酶液进行超滤浓缩,4 ℃、12 000 r/min离心20 min,重复3次。

1.2.4 酶学性质研究方法

用纯酶液进行酶学性质检测,以FPP为底物,20 mmol/L,pH 7.4的磷酸钠溶液作为缓冲液,加入终浓度为5 mmol/L DTT,体积分数10%甘油。反应体系上方覆盖十二烷萃取产物,反应结束后取上层有机相,10 000 r/min离心10~15 min, 进行产物检测。

FSCS产物特异性:向500 μL反应体系中加入15 mmol/L MgCl2,100 μg纯酶,30 μmol/L FPP, 覆盖300 μL十二烷,密封,于30 ℃、150 r/min反应1 h,相同反应条件下以空载为对照,进行产物检测。

FSCS最适金属离子条件:分别向反应体系中添加终浓度为10.0~80.0 mmol/L Mg2+,10.0~50.0 mmol/L K+,2.0~10.0 mmol/L Mn2+,并以添加50 mmol/L EDTA作为对照组,其余反应条件同FSCS产物特异性。

FSCS最适温度条件:500 μL反应体系中加入100 μg纯酶,30 μmol/L FPP,覆盖300 μL十二烷,密封,分别在15~45 ℃条件下反应1 h,进行产物检测。

1.2.5 产物检测方法

以GC-MS及HPLC对产物进行检测。

GC-MS条件:色谱柱SH-Rtx-5MS(30 m×0.32 mm,0.25 μm),流速1 mL/min, 电离方式EI。进样口温度260 ℃,起始温度80 ℃,以5 ℃/min升至180 ℃,再以25 ℃/min升至280 ℃。扫描质量范围35~800 amu。配制不同浓度法尼烯标准品,确定出峰时间并制作丰度-浓度标准曲线。y=894 139 x+436 156,R2=0.999。其中y:丰度,x:质量浓度,mg/L。

HPLC条件:色谱柱(Diamonsil Plus C18,250 mm×4.6 mm, 5 μm),体积分数70%的甲醇,体积分数30%的乙腈为流动相,流速1 mL/min,检测波长210 nm,柱温40 ℃。配制不同浓度法尼烯标准品,确定出峰时间并制作峰面积-浓度标准曲线。y=1.801 2 x+1.553 1, R2=0.999。其中y:峰面积,mAU·min;x:质量浓度,mg/L。

2 结果与讨论

2.1 FSCS氨基酸序列分析

将大豆来源法尼烯合成酶基因Fsso的氨基酸序列在BLAST进行同源性比对。序列相似度80%以上的多为豆科来源植物,Fscs序列相似度53%,编码区全长1 831 bp,编码573个氨基酸。NCBI参考序列号为:LOC102618658。倍半萜合成酶一般编码550~580个氨基酸,分子质量在50 k~100 kDa[13]。通过DNAMAN对FSCS进行氨基酸序列分析发现,其含有萜类合成酶家族特有的保守结构域DDxxD及NSE/DTE,其中DDxxD为富含天冬氨酸的保守结构域,是底物的结合位点,对酶的活性有重要作用[14]。序列比对结果如图1所示。

“★”、“▲”分别表示DDxxD及NSE/DTE结构域
图1 FSSO及FSCS氨基酸序列比对
Fig.1 Comparison of the amino acid sequences of FSSO and FSCS

2.2 pET28a-Fscs表达菌株的构建及蛋白纯化

按照1.2.2.1的方法构建质粒pET28a-Fscs,质粒片段大小为7 078 bp,将质粒用BamH Ⅰ、Sal Ⅰ双酶切验证,理论条带大小为1 722和5 356 bp,结果如图2所示。电泳条带大小与理论值一致,重组质粒pET28a-Fscs构建成功。

M-DNA marker;1-重组质粒双酶切
图2 重组质粒pET28a-Fscs双酶切验证
Fig.2 Verification of recombinant plasmid pET28a-Fscs through enzyme digestion reactions

将菌株pET28a-Fscs于18 ℃条件下发酵22 h,加入0.5 mmol/L IPTG诱导目的蛋白表达,以空载为对照,将粗酶及纯酶液进行SDS-PAGE检测,结果如图3所示。在70 kDa位置有目的蛋白条带,与pET28a-Fscs预测分子质量69.5 kDa相符,获得了纯度较高的目的蛋白,用于后续酶学性质研究。

a-FSCS粗霉SDS-PAGE;b-FSCS粗霉SDS-PAGE M-蛋白质marker;a1-FSCS粗酶;a2-pET28a空载;b1-FSCS纯酶
图3 重组蛋白FSCS SDS-PAGE检测结果
Fig.3 SDS-PAGE results of recombinant protein FSCS

2.3 FSCS酶学性质研究

2.3.1 产物特异性探究

按1.2.4配制酶反应体系,以FPP为底物与纯酶进行反应,以空载作为对照,探究产物特异性。反应后检测到α-法尼烯生成,GC-MS检测结果如图4所示。FPP与空载反应未检测到产物生成,证明FSCS具有法尼烯合成酶功能。

图4 α-法尼烯GC-MS检测结果
Fig.4 GC-MS detection results of α-farnesene

2.3.2 金属离子对产物的影响

多数萜类合成酶需要在Mg2+或Mn2+的参与下发挥作用[15]。为探究FSCS所需的金属离子及最适离子条件,按1.2.4方法检测产物生成情况。单独添加Mg2+时,检测到法尼烯生成,在30 mmol/L Mg2+条件下产物浓度最高。以50 mmol/L EDTA为对照,未检测到产物生成,如图5-a所示。部分萜类合成酶存在H-α1结构域,K+的存在能够增强底物与酶的结合,从而增强酶的活性[16]。因此在30 mmol/L Mg2+浓度的基础上,添加不同浓度K+检测产物生成情况。如图5-b所示,K+对产物生成有显著促进作用,40 mmol/L K+条件下产物质量浓度达到最高为3.86 mg/L,相较于单独添加Mg2+提升近6.3倍。随后在30 mmol/L Mg2+、40 mmol/L K+基础上加入不同浓度Mn2+,对产物生成无显著促进作用,且较高浓度的Mn2+对产物生成有轻微抑制作用,如图5-c所示。单独添加Mn2+基本未检测到产物生成,说明FSCS对Mg2+亲和度高于Mn2+。上述实验结果表明,Mg2+为酶必需的辅因子,且K+对产物生成有显著促进作用。大豆、梨等来源的法尼烯合成酶需要Mg2+与K+共同作为辅因子参与反应,而多数萜类合成酶仅需要Mg2+作为辅因子[17],萜类合成酶对金属离子的亲和性应与蛋白特定结构有关。

图5 不同金属离子对法尼烯生成的影响
Fig.5 Effects of different metal ions on the formation of farnesene

2.3.3 最适反应温度探究

如图6所示,在20 ℃条件下,法尼烯浓度最高,45 ℃以上基本检测不到产物生成。说明FSCS对高温耐受性差,在较低温度下能保持一定活力。研究表明,多数萜类合成酶对高温耐受性较差,苹果来源的一种FS最适反应温度为10~20 ℃,且在0 ℃仍保持一半活性[18]

图6 温度对法尼烯生成的影响
Fig.6 Effects of temperature on the formation of farnesene

2.4 酿酒酵母重组表达菌株WH4-Fscs的构建及产物检测

按照1.2.2.2的方法构建Ts gal80-xtpfscs表达盒,以GAL80为位点进行酿酒酵母染色体整合。分别以BamH Ⅰ、Sal Ⅰ、Xba Ⅰ及Nco Ⅰ进行酶切验证。BamH Ⅰ、Sal Ⅰ酶切理论条带大小分别为1 722和6 570 bp;Xba Ⅰ酶切理论条带大小分别为4 692和2 700 bp;Nco Ⅰ酶切理论条带大小分别为2 692和5 600 bp,均与图中条带位置相符。提基因组进行PCR验证,理论片段大小为2 500 bp,与条带位置相符,重组表达菌株构建成功,结果如图7所示。

a-单双酶切验证;b-基因组PCR验证 M-DNA marker;a1-Sal Ⅰ、BamH Ⅰ酶切;a2-Xba Ⅰ酶切; a3-Nco Ⅰ酶切
图7 Ts gal80-xtpfscs单双酶切及基因组PCR验证
Fig.7 Verification of recombinant plasmid Ts gal80-xtpfscs through enzyme digestion reactions and genome PCR

以WH4原始菌株为对照,HPLC检测法尼烯生成,结果如图8所示。标准品出峰时间约在4.418 min,WH4-Fscs α-法尼烯出峰时间在4.382 min,WH4原始菌株未检测到法尼烯生成,酿酒酵母重组菌株WH4-Fscs构建成功。

a- WH4-Fscs;b-法尼烯标准品;c-WH4原始菌株
图8 法尼烯标准品、WH4-Fscs及WH4原始菌株HPLC检测结果
Fig.8 HPLC results of farnesene reference standard, recombinant strain WH4-Fscs and original strain WH4

2.5 FSCS酶学性质在酿酒酵母表达菌株WH4-Fscs中的应用

2.5.1 最适金属离子条件在酿酒酵母WH4-Fscs产法尼烯中的应用

通过酶学性质实验,FSCS最适金属离子条件为30 mmol/L Mg2+, 40 mmol/L K+。将此条件应用于酿酒酵母重组菌株中,以不添加外源金属离子作为对照,在30 ℃条件下发酵72 h,检测法尼烯生成情况。如图9所示,与不添加金属离子相比,最适离子条件下法尼烯产量有30%的提升,达到43.76 mg/L。相关研究表明,Mg2+能够缓解葡萄糖分解代谢物的抑制作用,在培养基中添加Mg2+能够增强酿酒酵母发酵过程中对乙酸的耐受性,增加乙醇产量,提高细胞活力[19-20]

图9 金属离子对WH4-Fscs发酵产法尼烯的影响
Fig.9 Effects of metal ions on production of farnesene by WH4-Fscs fermentation

2.5.2 温度在酿酒酵母WH4-Fscs产法尼烯中的应用

FSCS最适温度条件为20 ℃,以30 ℃为对照组,实验组和对照组均在30 ℃发酵24 h,待葡萄糖基本消耗完毕后调整温度。后续发酵72 h,发酵过程中分别于24、48、60、72、96 h取样,检测产物生成以及菌体生长情况。由图10可知,30 ℃条件下,发酵前60 h 的OD600高于20 ℃条件,最高为7.153。发酵60 h后,20 ℃条件下菌体OD600更高,最高为7.084。

图10 不同温度对WH4-Fscs菌体生长及 法尼烯合成的影响
Fig.10 Effects of different temperatures on bacteria growth and farnesene synthesis of WH4-Fscs

从法尼烯产量上看,发酵前期30 ℃条件下法尼烯产量维持更高水平,发酵后期20 ℃条件下法尼烯产量更稳定。低温发酵可促进酿酒酵母中酯类、萜烯类等物质的形成并延长保留时间[21-22]。法尼烯挥发性较强,在发酵后期可通过降低温度来维持法尼烯产量。

3 结论

本研究对一种甜橙来源的FS进行了功能表征,并将其酶学性质应用于酿酒酵母表达系统中。以FPP为底物时,FSCS能催化生成法尼烯,而部分萜类合成酶不存在明确的产物或底物特异性,可与不同底物反应生成多种萜类化合物。FSCS的催化功能依赖于Mg2+的参与,在K+存在的条件下,对产物生成有显著促进作用,该特性与苹果、大豆等来源的FS相似。FSCS对高温耐受性差,较低温度下能够保持活性。将酶学性质应用于酿酒酵母表达菌株,最适金属离子条件下法尼烯产量有30%提升,且最适温度条件对发酵后期产物积累及菌体生长有一定促进作用。上述研究结果有助于进一步了解FS的酶学性质,也为FS在酿酒酵母中的高效表达提供了理论指导。在现有研究基础上,未来对FS的催化机理仍有待进一步解析,其在细胞内与代谢途径中其他关键酶的调控关系也有待探究。

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Heterologous expression and enzymatic properties of farnesene synthase from Citrus sinensis

FU Wenwen1,2,WANG Junhua1,2,LI Youran1,2,SHI Guiyang1,2*

1(National Engineering Laboratory for Cereal Fermentation Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China) 2(School of Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

ABSTRACT Farnesene is a sesquiterpene compound which has a wide range of applications in food, fragrance & flavor and other industries. Farnesene synthase is the key enzyme in biosynthesis of farnesene. Its properties significantly affect the formation of farnesene. A farnesene synthase gene from Citrus sinensis (FSCS) was cloned and expressed in Escherichia coli BL21(DE3). The recombinant enzyme was purified and its biochemical characteristics were investigated. Results showed that FSCS could produce α-farnesene by using farnesyl diphosphate as substrate. In addition, Mg2+ was indispensable, and K+ could enhance the activity of FSCS. However, 8 mmol/L or more Mn2+ significantly inhibited its activity. The optimal condition of Mg2+ and K+ were 30 mmol/L and 40 mmol/L, respectively. The optimal temperature was 20℃, and sensitive to higher temperature. Under the optimal conditions in recombinant Saccharomyces cerevisiae, the yield of farnesene was 43.76 mg/L increased by 30%. The results could provide reference for efficient production of farnesene in microbial cell factories.

Key words farnesene synthase; characteristics; farnesyl diphosphate; sesquiterpene; Saccharomyces cerevisiae

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.026301

引用格式:付闻文,王均华,李由然,等.甜橙来源法尼烯合成酶的异源表达及酶学性质研究[J].食品与发酵工业,2021,47(21):79-85.FU Wenwen,WANG Junhua,LI Youran,et al.Heterologous expression and enzymatic properties of farnesene synthase from Citrus sinensis[J].Food and Fermentation Industries,2021,47(21):79-85.

第一作者:付闻文硕士研究生和王均华博士研究生为共同第一作者(石贵阳教授为通讯作者,E-mail:gyshi@ jiangnan.edu.cn)

基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFA0900504)

收稿日期:2020-11-27,改回日期:2021-03-10