芽孢桿菌糖基水解酶GH489的表達(dá)及生物活性研究

田宇曦 杜思源 余曉華 夏昊天 劉曉艷 閔勇 陳凌 朱鐳1 邱一敏

摘要：為了探究芽孢桿菌（Bacillus sp.）糖基水解酶GH489的生物活性，通過設(shè)計(jì)特異性引物擴(kuò)增得到目的基因gh489，采用大腸桿菌原核表達(dá)系統(tǒng)對(duì)重組GH489蛋白進(jìn)行表達(dá)，利用組氨酸標(biāo)簽對(duì)目的蛋白進(jìn)行分離純化，并檢測(cè)芽孢桿菌糖基水解酶GH489對(duì)二斑葉螨的殺螨活性。結(jié)果表明，由大腸桿菌BL21（DE3）表達(dá)的重組GH489蛋白為可溶性蛋白質(zhì)，其蛋白質(zhì)分子質(zhì)量約為57 kDa。純化后的GH489重組蛋白顯示出良好的殺螨活性，處理24 h后，二斑葉螨的半致死濃度（LC50）為30.296 μg/mL，處理48 h后，二斑葉螨的半致死濃度（LC50）為21.212 μg/mL。

關(guān)鍵詞：芽孢桿菌（Bacillus sp.）；糖基水解酶；表達(dá)；蛋白純化；殺螨活性

中圖分類號(hào)：TS201 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2023）11-0198-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.11.034 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Expression and biological activity of Bacillus sp. glycosyl hydrolase GH489

TINA Yu-xi1， DU Si-yuan1， YU Xiao-hua2， XIA Hao-tian2， LIU Xiao-yan1，

MIN Yong1， CHEN Ling1， ZHU Lei1， QIU Yi-min1，2

（1.Hubei Biopesticide Engineering Research Centre， Wuhan ?430064， China；

2.Yangxin County Specialty Service Center， Huangshi ?435299， Hubei， China）

Abstract： In order to investigate the biological activity of Bacillus sp. glycosyl hydrolase GH489， the target gene gh489 was amplified by designing specific primers，the recombinant GH489 protein was expressed using the Escherichia coli prokaryotic expression system， and the target protein was isolated and purified using histidine tags. The acaricidal activity of Bacillus sp. glycosyl hydrolase GH489 against Tetranychus urticae was detected. The results showed that the recombinant GH489 protein expressed by Escherichia coli BL21 （DE3） was a soluble protein with a molecular weight of approximately 57 kDa. The purified GH489 recombinant protein showed good acaricidal activity，after 24 hours of treatment， the half lethal concentration （LC50） of Tetranychus urticae was 30.296 μg/mL， and after 48 hours of treatment， the half lethal concentration （LC50） of Tetranychus urticae was 21.212 μg/mL.

Key words： Bacillus sp.； glycosyl hydrolase； expression； protein purification； acaricidal activity

碳水化合物是地球上最豐富的生物分子。從結(jié)構(gòu)元素（纖維素、甲殼素）、能量分子（淀粉、糖原）到參與細(xì)胞識(shí)別過程，它們?cè)谏矬w內(nèi)發(fā)揮不同的作用。將碳水化合物（糖）分子與另一個(gè)糖或非糖類物質(zhì)的基團(tuán)用共價(jià)連接起來，形成長(zhǎng)鏈聚合物。糖基水解酶（Glycoside hydrolases，GH，EC3.2.1），又稱為糖苷酶或糖苷水解酶，是一種廣泛存在于大部分生物體的酶，可水解糖苷鍵，形成糖半縮醛或半縮酮和游離苷元。糖基水解酶還可以水解碳水化合物與 ?O—、N—、S—鍵的連接。其分類方式具有多樣性，可以根據(jù)水解反應(yīng)的立體化學(xué)結(jié)果（保留或反轉(zhuǎn)）進(jìn)行分類，也可以根據(jù)酶的作用方式分類，即外切（非還原端）和內(nèi)切（分子中間），還可以基于蛋白序列和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。基于序列分類結(jié)果得出有150多個(gè)不同的糖基水解酶家族［1］。

糖基水解酶存在于絕大部分的生命領(lǐng)域，在原核生物中既是細(xì)胞內(nèi)酶又是細(xì)胞外酶，主要參與糖苷分子水解、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)獲取、操縱子表達(dá)調(diào)控、翻譯后修飾、高等生物溶酶體儲(chǔ)存、糖原生物合成和降解。在高等生物中，糖基水解酶存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體（負(fù)責(zé)N-連接糖蛋白的加工）、腸道中的溶酶體（負(fù)責(zé)碳水化合物結(jié)構(gòu)的降解）和唾液中的碳水化合物降解酶（淀粉酶），腸道中的內(nèi)皮細(xì)胞糖基磷脂酰錨定酶，如乳糖酶（降解牛奶中的乳糖）、O-GlcNAcase酶（負(fù)責(zé)定位于細(xì)胞質(zhì)和核的絲氨酸和蘇氨酸殘基中N-乙酰氨基葡萄糖基的去除）。

糖基水解酶被廣泛應(yīng)用于生物和化學(xué)工業(yè)，如纖維素酶、木聚糖酶等被用于植物原料的生物煉制，生產(chǎn)高附加值的生物基質(zhì)產(chǎn)品。在食品工業(yè)中，轉(zhuǎn)化酶被用于生產(chǎn)反式糖，淀粉酶被用于生產(chǎn)麥芽糊精；在造紙和紙漿工業(yè)、洗滌劑制造工業(yè)中，纖維素酶常被用于棉織物的洗滌，通過去除微纖維以保持織物的色澤［2］。此外，一些糖基水解酶具有轉(zhuǎn)糖基能力，用于合成低聚糖和糖苷，例如低聚半乳糖（由β-半乳糖苷酶合成）和辛基葡萄糖苷（由β-glucosidase合成）。糖基水解酶還可以降解微生物生物膜胞外聚合物（EPS）的基質(zhì)多糖，提高抗生素效力，增強(qiáng)宿主免疫功能［3，4］。除了降解植物多糖外，它們還在抗菌防御機(jī)制（溶菌酶）、正常細(xì)胞功能（通過甘露糖苷酶合成N-連接糖蛋白）、病毒神經(jīng)氨酸酶的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮作用［5，6］。

本研究以芽孢桿菌糖基水解酶GH489的基因?yàn)檠芯繉?duì)象，通過構(gòu)建GH489重組蛋白表達(dá)載體、對(duì)GH489重組蛋白進(jìn)行表達(dá)和純化，測(cè)定其殺螨活性，為全面認(rèn)識(shí)和了解芽孢桿菌糖基水解酶的生物活性、進(jìn)一步豐富芽孢桿菌糖基水解酶的功能研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 質(zhì)粒與菌株

貝萊斯芽孢桿菌NBIF-256、pColdII冷休克載體、Escherichia coli DH5α以及Escherichia coli BL21（DE3）菌種均來源于湖北省生物農(nóng)藥工程研究中心。

1.2 試劑

質(zhì)粒DNA小提試劑盒、細(xì)菌基因組DNA提取試劑盒均購(gòu)自O(shè)mega公司；Nde I、Xba I限制性內(nèi)切酶均購(gòu)自NEB公司；瓊脂糖凝膠DNA回收試劑盒、PCR產(chǎn)物純化回收試劑盒均購(gòu)自天根生化科技（北京）有限公司；TransStart? FastPfu DNA聚合酶、PCR SuperMix均購(gòu)自北京全式金生物技術(shù)有限公司；dNTPS、T4 DNA連接酶等均購(gòu)自寶生物工程（大連）有限公司；Ni-NTA 6FF預(yù)裝重力柱購(gòu)自生工生物工程（上海）股份有限公司；胰蛋白胨、酵母提取物、氯化鈉等常規(guī)分析純?cè)噭┚?gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.3 儀器

Gel Doc EZ凝膠成像儀、PCR儀均購(gòu)自Bio-Rad 公司；UV 2450型紫外可見分光光度計(jì)購(gòu)自島津公司；無菌超凈工作臺(tái)購(gòu)自蘇凈安泰公司；電熱恒溫培養(yǎng)箱購(gòu)自恒豐醫(yī)療器械有限公司。

1.4 GH489重組表達(dá)載體及重組菌株的構(gòu)建

根據(jù)貝萊斯芽孢桿菌NBIF-256糖基水解酶GH489（WP_032873382.1）編碼基因序列設(shè)計(jì)引物gh489-F和gh489-R（表1）。以貝萊斯芽孢桿菌NBIF-256基因組DNA為模板，用引物gh489-F和gh489-R擴(kuò)增gh489基因。PCR反應(yīng)體系：5×FastPfu PCR buffer 5.0 μL，dNTPs（2.5 mmol/L）2.5 μL，模板DNA（10 ng/μL）1.0 μL，上下游引物gh489-F和gh489-R（10 μmol/L）各1.0 μL，添加ddH2O至終體積為25 μL。PCR反應(yīng)程序：95 ℃預(yù)變性5 min；94 ℃變性30 s，55 ℃復(fù)性30 s，72 ℃延伸2 min，共計(jì)30個(gè)循環(huán)；72 ℃延伸5 min，4 ℃保存。純化回收PCR產(chǎn)物后，用Nde I和Xba I雙酶切處理后回收酶切DNA片段，同時(shí)將表達(dá)質(zhì)粒pColdII用相同方法酶切處理后回收純化。利用T4 DNA連接酶連接處理過的DNA片段與載體片段，16 ℃連接過夜。將連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化至Escherichia coli DH5α感受態(tài)細(xì)胞，挑取抗性單菌落進(jìn)行菌落PCR驗(yàn)證，初步確定為陽性克隆子后，抽提質(zhì)粒并測(cè)序，保存測(cè)序正確的重組表達(dá)質(zhì)粒pColdII-gh489。

將重組表達(dá)質(zhì)粒pColdII-gh489轉(zhuǎn)化至Escherichia coli BL21（DE3）感受態(tài)細(xì)胞中，經(jīng)PCR鑒定以及測(cè)序鑒定后，保存測(cè)序正確的菌種，將其命名為Escherichia coli BL21（DE3）/pColdII-gh489。

1.5 GH489重組蛋白在大腸桿菌中的誘導(dǎo)表達(dá)

將Escherichia coli BL21（DE3）/pColdII-gh489菌株接種至含100 μg/mL氨芐青霉素的LB培養(yǎng)基中，37 ℃ 220 r/min培養(yǎng)12 h后，以5%的接種量接種至含100 μg/mL氨芐青霉素的50 mL LB培養(yǎng)基中，37 ℃ 220 r/min培養(yǎng)至OD 600 nm為0.8時(shí)，加入IPTG至終濃度為0.5 mmol/L，16 ℃ 220 r/min誘導(dǎo)培養(yǎng)12 h。4 ℃ 8 000 r/min收集菌體，用20 mL裂解緩沖液洗滌菌體1次，4 ℃ 8 000 r/min離心5 min，再用20 mL裂解緩沖液將菌體重懸，超聲波破碎后，4 ℃ 8 000 r/min離心30 min，收集上清液得到粗酶液，SDS-PAGE檢測(cè)蛋白表達(dá)情況。

1.6 GH489重組蛋白的純化

按照Ni-NTA 6FF預(yù)裝重力柱（5 mL柱體積）說明書操作，進(jìn)行GH489重組蛋白的純化。放空預(yù)裝重力柱中的儲(chǔ)存液，加入2倍柱體積的裂解緩沖液平衡Ni-NTA介質(zhì)。將收集的蛋白粗酶液利用0.22 μm過濾器過濾，隨后轉(zhuǎn)入重力柱中，控制流速0.5 mL/min；向重力柱加入2倍柱體積的洗滌緩沖液（咪唑濃度10 mmol/L），控制流速0.5 mL/min，洗去雜蛋白；用10 mL洗脫緩沖液洗脫帶組氨酸標(biāo)簽的目的蛋白，以每管1.5～2.0 mL裝液量分管收集流出液。利用SDS-PAGE對(duì)洗脫后的蛋白進(jìn)行電泳檢測(cè)。利用Thermo Scientific Slide-A-Lyzers?蛋白透析盒對(duì)重組蛋白GH489進(jìn)行透析處理，將載有目的蛋白的透析盒放入PBS緩沖液中，每隔1 h更換新的PBS緩沖液，4 ℃透析8 h，收集透析后的蛋白溶液，即獲得純化的GH489重組蛋白。

1.7 GH489重組蛋白的殺螨活性測(cè)定

采用玻片浸漬法對(duì)純化的GH489重組蛋白進(jìn)行室內(nèi)二斑葉螨的毒殺活性測(cè)定，具體操作如下：選取行動(dòng)活潑、大小一致的成螨個(gè)體，將其背部通過雙面膠黏附于載玻片的一端，生化培養(yǎng)箱中放置3 h后鏡檢剔除死亡、受傷與不活潑個(gè)體，保證每個(gè)玻片上活蟲數(shù)大于30頭。將上述帶螨玻片的一端浸于藥液（5～7個(gè)濃度梯度的GH489重組蛋白液或PBS緩沖液）內(nèi)5 s，取出并用濾紙吸干殘留藥液。置于生化培養(yǎng)箱中，定時(shí)鏡檢觀察試驗(yàn)結(jié)果。用毛筆輕觸螨體觀察其反應(yīng)，以螨足不動(dòng)為死亡標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)各處理組的成螨死亡情況。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。以浸漬PBS緩沖液作為空白對(duì)照組，計(jì)算各組的死亡率、校正死亡率，公式如下：

M =a/b ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，M為死亡率，%；a為死亡蟲數(shù)，頭；b為供試總蟲數(shù)，頭。

Mcorrected =（Mtest-Mcontrol）/（1-Mcontrol） ? ? ? （2）

式中，Mcorrected為校正死亡率，%；Mtest為處理組死亡率，%；Mcontrol為對(duì)照組死亡率，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 大腸桿菌表達(dá)質(zhì)粒pColdII-gh489的構(gòu)建

利用引物gh489-F和gh489-R克隆得到糖基水解酶gh489基因編碼序列，瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)gh489基因的PCR產(chǎn)物，如圖1a所示，1 500 bp處顯示出特異條帶，片段大小與預(yù)期相符（1 513 bp）。gh489片段雙酶切回收產(chǎn)物與pColdII載體、T4 DNA連接酶連接、轉(zhuǎn)化至Escherichia coli DH5α，抽提質(zhì)粒并進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)，如圖1b所示。重組質(zhì)粒測(cè)序，目的片段區(qū)域沒有發(fā)生突變，重組質(zhì)粒pColdII-gh489構(gòu)建完成。將重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化至Escherichia coli BL21（DE3），獲得重組表達(dá)菌株Escherichia coli BL21（DE3）/pColdII-gh489。

2.2 GH489重組蛋白的表達(dá)與純化

預(yù)測(cè)GH489重組蛋白的分子質(zhì)量約為57 kDa，利用SDS-PAGE電泳檢測(cè)工程菌株Escherichia coli BL21（DE3）/pColdII-gh489的IPTG誘導(dǎo)表達(dá)產(chǎn)物。結(jié)果表明，由大腸桿菌表達(dá)的GH489重組蛋白主要以可溶性形式存在于上清液中，在細(xì)胞破碎沉淀物中含一些雜蛋白（圖2a）。純化后的GH489重組蛋白的分子質(zhì)量約為57 kDa，符合預(yù)測(cè)結(jié)果（圖2b）。純化后的GH489重組蛋白經(jīng)考馬斯亮藍(lán)法分析，其濃度約為313 μg/mL。

2.3 GH489重組蛋白的殺螨活性

按照上述試驗(yàn)步驟，利用SPSS 26.0數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算，純化的GH489重組蛋白懸液對(duì)二斑葉螨24、48 h的滅螨活性結(jié)果見表2。處理24 h后，GH489重組蛋白殺蟲概率模型方程為y=-3.811+2.573x（變量x使用底數(shù)為10的對(duì)數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換），Pearson模型擬合優(yōu)度檢驗(yàn)（x2=6.193，P=0.185）表明模型擬合良好，半致死濃度（LC50）為30.296 μg/mL。處理48 h后，GH489殺蟲概率模型方程為y= -2.757 + 2.078x（變量x使用底數(shù)為10的對(duì)數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換），Pearson模型擬合優(yōu)度檢驗(yàn)（x2=2.222，P=0.695）表明模型擬合良好，半致死濃度（LC50）為21.212 μg/mL。結(jié)果表明，芽孢桿菌糖基水解酶GH489具有良好的殺螨活性。

3 小結(jié)與討論

二斑葉螨是一種重要的世界性經(jīng)濟(jì)害螨，危害多種作物，具有成熟期短、繁殖率高和活動(dòng)范圍小等特點(diǎn)［7］。傳統(tǒng)的殺螨劑主要為化學(xué)殺螨劑，如喹螨唑、唑螨酯、噠螨靈、吡螨胺、螺螨酯和擬除蟲菊酯類殺螨劑，化學(xué)藥劑的大量且重復(fù)、長(zhǎng)期使用，不僅會(huì)殺死大量的害螨天敵和其他有益生物，同時(shí)也使二斑葉螨產(chǎn)生了嚴(yán)重的抗藥性［8］。為了減少化學(xué)藥劑帶來的負(fù)面影響，從自然環(huán)境和天然產(chǎn)物中挖掘低毒、安全、環(huán)境友好型農(nóng)藥是目前新農(nóng)藥開發(fā)的一個(gè)重要策略［9］。植物源殺螨劑的發(fā)掘和應(yīng)用逐漸成為國(guó)內(nèi)外綠色農(nóng)藥領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。很多植物精油及相關(guān)成分對(duì)螨蟲和其他害蟲具有廣譜活性，被認(rèn)為是潛在的植物保護(hù)劑，可用于田間害蟲管理。植物源農(nóng)藥具有低毒、低殘留等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)害蟲最有效的精油通常具有植物毒性［10］。在試驗(yàn)條件下，球孢白僵菌和金龜子綠僵菌顯示出對(duì)多種螨蟲的致病性［11，12］，被認(rèn)為具有應(yīng)用潛力。然而，由于批量生產(chǎn)困難，或在室外條件下對(duì)螨蟲的感染效率低、持久效力差，大多數(shù)治螨微生物制劑未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化使用。因而人們?nèi)匀辉诓粩嗵剿骱秃Y選新的治螨微生物資源。

鑒于芽孢桿菌屬細(xì)菌能產(chǎn)生多種蛋白酶，本研究以芽孢桿菌糖基水解酶GH489為研究對(duì)象，探究其殺螨活性。研究表明，在室內(nèi)條件下芽孢桿菌糖基水解酶GH489具有良好的殺螨活性，該結(jié)果將進(jìn)一步豐富人們對(duì)于芽孢桿菌糖基水解酶功能的認(rèn)識(shí)。后續(xù)需要進(jìn)一步建立GH489重組蛋白的田間施用方案，實(shí)現(xiàn)該蛋白在農(nóng)作物螨蟲防治上的應(yīng)用。

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