磷脂酶D交聯(lián)聚集體的制備及其酶學(xué)性能研究

酶催化因其較高的催化活性、特異性和溫和的反應(yīng)條件而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品加工、化學(xué)合成和生物降解等領(lǐng)域。其中,磷脂酶D(EC 3.1.4.4 phospholipase D,PLD)可以催化水解磷脂分子并生成磷脂酸和有機(jī)堿。在一定條件下PLD還能夠催化甘油、絲氨酸、膽堿、醇類物質(zhì)等含羥基的化合物與磷脂?；鶊F(tuán)結(jié)合,形成新的磷脂[1-2]。PLD催化作用反應(yīng)式如圖1所示。雖然PLD存在于各種微生物、植物、動物中,但來源于微生物的PLD具有對底物耐受性強(qiáng)、對堿基交換反應(yīng)催化活性高的特點(diǎn)[3]。

圖1 PLD的催化水解和轉(zhuǎn)磷脂?；磻?yīng)的作用機(jī)理

Fig.1 Reaction mechanism of PLD-catalyzed hydrolysis and transphosphatidylation

天然PLD存在成本較高、操作穩(wěn)定性低、回收再利用困難等缺陷,嚴(yán)重制約了其在工業(yè)上的應(yīng)用。酶固定化是解決上述問題的有效手段之一。近年來,關(guān)于PLD固定化的研究已有少量報道。MAO等[4]以環(huán)氧樹脂交聯(lián)法對Bacillus subtilis來源的PLD進(jìn)行固定化,但所得固定化酶底物轉(zhuǎn)化率和重復(fù)使用性都較差。通過對載體進(jìn)行改進(jìn),得到了以介孔SiO2/聚合物納米復(fù)合材料[5]、氨基功能化的中空介孔SiO2立方體[6]、分層空隙聚合物修飾的環(huán)氧樹脂[7]為載體的PLD固定化酶,具有良好的操作穩(wěn)定性,且材料新穎,但載體成本較高,難于進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。上述PLD固定化酶中含有大量的非催化載體,降低了固定化酶的單位體積活性和催化效率,而且對于惰性基質(zhì)需要對其進(jìn)行化學(xué)修飾后,才能與PLD進(jìn)行共價偶聯(lián),制作成本較高[8-9]。因此,尋求一種操作簡單、成本經(jīng)濟(jì)、酶活力回收率高且操作穩(wěn)定性良好的PLD固定化方法受到越來越多的關(guān)注。

交聯(lián)酶聚集體(cross-linked enzyme aggregates,CLEAs)是一種無載體固定化技術(shù)。首先通過水溶性有機(jī)溶劑、中性鹽溶液或非離子型聚合物等沉淀劑將游離酶沉淀,然后加入雙功能試劑交聯(lián)得到不溶于水的酶聚集體。由于酶的沉淀過程中存在的非共價作用力較弱,不會破壞蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu),從而保留了酶的大部分活性[10-11]。與有載體固定化相比,CLEAs具有制備過程簡單、對酶純度要求低、單位體積活性高、特異性好、適用范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn),且具有優(yōu)異的有機(jī)溶劑和高溫高壓耐受性,表現(xiàn)出良好的貯藏穩(wěn)定性和實(shí)際操作穩(wěn)定性[10,12]。另外,CLEAs自身酶負(fù)載量高,在制備過程中活性損失較小,有效避免了固體載體引入時可能造成的酶失活[13]。近年來CLEAs技術(shù)已用于固定多種不同的酶,比如脂肪酶、漆酶、α-淀粉酶等,得到的CLEAs的穩(wěn)定性和催化性能都得到了不同程度的提高[14-16]。但目前尚未有利用CLEAs技術(shù)固定化PLD及其酶學(xué)性能研究的報道。因此,本研究擬開發(fā)一種高效的PLD-CLEAs的制備方法,并對所得固定化酶PLD-CLEAs的催化性能和酶學(xué)性質(zhì)進(jìn)行全面的評估。首先考察沉淀和交聯(lián)條件對酶活性回收率的影響,對PLD-CLEAs的酶學(xué)性質(zhì)(催化活性、熱穩(wěn)定性、最適溫度和pH值、重復(fù)使用性)進(jìn)行研究,并與游離酶進(jìn)行探討和比較,以期得到一種高效的PLD固定化酶,為其工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菌種：枯草芽胞桿菌(Bacillus subtilis)WB600,由本實(shí)驗(yàn)室保藏。

試劑：膽堿氧化酶、過氧化物酶,Sigma-Aldrich；胰蛋白胨、酵母粉、瓊脂粉、卡那霉素,北京索萊寶科技有限公司；卵磷脂(phosphatidylcholine,PC),上海源葉生物科技有限公司；硫酸銨、戊二醛、TritonX-100、MnCl2、NaCl,上海麥克林生化科技有限公司；三羥甲基氨基甲烷(Tris)、甘氨酸、NaOH,北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司公司；乙腈、乙醇、乙醚、鹽酸,賽默飛世爾科技(中國)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SYC-A水浴恒溫振蕩器,上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；電子天平,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；Centrifuge 5418小型高速離心機(jī)、Heto Drywinner冷凍干燥機(jī),賽默飛世爾科技(中國)有限公司；ZXGP-B2080臺式電熱恒溫培養(yǎng)箱,上海智城分析儀器制造有限公司；Multiskan Spectrum酶標(biāo)儀、FEI Apreo掃描電子顯微鏡美國Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 PLD的制備

取1 μL保藏于本實(shí)驗(yàn)室-80 ℃冰箱的枯草芽胞桿菌,采用分段劃線法接種于LB固體培養(yǎng)基上,于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中倒置培養(yǎng)12 h,獲得單菌落。將單菌落轉(zhuǎn)移至含有50 μg/mL卡那霉素的LB液體培養(yǎng)基(5 mL),置于恒溫空氣浴搖床中37 ℃、220 r/min培養(yǎng)12 h；取5 mL菌液轉(zhuǎn)接入含有50 μg/mL卡那霉素的250 mL培養(yǎng)液中,37 ℃,220 r/min培養(yǎng)48 h后,將發(fā)酵液在10 000 r/min、4 ℃離心10 min,上清液即為PLD粗酶液,凍干后備用。

1.3.2 PLD-CLEAs的制備及優(yōu)化

1.3.2.1 沉淀劑種類和濃度對PLD-CLEAs酶活性的影響

以PLD-CLEAs的酶活性回收率作為優(yōu)化指標(biāo),探討不同沉淀劑種類和濃度對PLD活性的影響。取1 mL 100 mg/mL的游離PLD酶液,分別加入到4 mL不同體積分?jǐn)?shù)的預(yù)冷有機(jī)溶劑(乙醇和乙腈)和不同飽和度硫酸銨溶液中,PLD的質(zhì)量濃度為100 mg/mL,4 ℃攪拌沉淀30 min。離心分離除去上清液,將沉淀用100 mmol/L Tris-HCl緩沖液(pH 8.0)復(fù)溶后測定PLD的活性。

1.3.2.2 交聯(lián)劑濃度對PLD-CLEAs酶活性的影響

以PLD-CLEAs的酶活性回收率作為優(yōu)化指標(biāo),探討不同戊二醛濃度對PLD-CLEAs活性的影響。取1 mL 100 mg/mL的游離PLD酶液,與4 mL硫酸銨溶液混合,硫酸銨飽和度為60%,于4 ℃攪拌沉淀30 min。隨后分別加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的戊二醛(0.025%、0.050%、0.075%、0.100%、0.125%、0.150%),在4 ℃下攪拌交聯(lián)1 h。反應(yīng)結(jié)束后8 000 r/min離心分離5 min,收集沉淀物,用100 mmol/L Tris-HCl緩沖液(pH 8.0)反復(fù)洗滌,獲得PLD-CLEAs并測定其活性。

1.3.2.3 交聯(lián)時間對PLD-CLEAs酶活性的影響

以PLD-CLEAs的酶活性回收率作為優(yōu)化指標(biāo)，探討不同交聯(lián)時間對PLD-CLEAs活性的影響。取適量凍干的PLD酶粉，與4 mL硫酸銨溶液(飽和度60%)混合，PLD的質(zhì)量濃度為100 mg/mL，于4 ℃攪拌沉淀30 min。隨后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.125%的戊二醛，在4 ℃下分別攪拌反應(yīng)0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h。反應(yīng)結(jié)束后，離心分離收集沉淀物，用100 mmol/L Tris-HCl緩沖液(pH 8.0)反復(fù)洗滌，獲得PLD-CLEAs并測定其活性。

1.3.3 酶活力測定

PLD活性的測定參照HUANG等[17]的方法稍作改進(jìn)。以PC為底物,將一定量的PLD加入到含有0.23 mol/L MnCl2的Tris-HCl緩沖液(100 mmol/L,pH 8.0)中與底物溶液(4 mg/mL PC,乙醚8%,0.9 mol/L TritonX-100)充分混合,在45 ℃、200 r/min反應(yīng)45 min后,煮沸5 min終止反應(yīng)。反應(yīng)液于室溫條件下冷卻后,取300 μL與500 μL膽堿顯色液(膽堿氧化酶0.5 U/mL,過氧化物酶1 U/mL,4-安替比林0.5 mg/mL,苯酚0.25 mg/mL)混合,37 ℃保溫30 min進(jìn)行顯色,使用酶標(biāo)儀測定反應(yīng)產(chǎn)物在500 nm處的吸光值。根據(jù)氯化膽堿顯色后在500 nm處的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算反應(yīng)體系中膽堿的物質(zhì)的量。一個酶活力單位(U)定義為:測試條件下1 min水解PC釋放1 μmol膽堿所需的PLD的量。

固定化酶活性回收率計(jì)算如公式(1)所示：

酶活性回收率

(1)

1.3.4 PLD-CLEAs的酶學(xué)性質(zhì)

1.3.4.1 熱穩(wěn)定性

首先測定了不同酶制劑在高溫(50 ℃)下的熱穩(wěn)定性。用Tris-HCl緩沖液(100 mmol/L,pH 8.0)配制相同濃度的游離和固定化酶溶液,將酶溶液置于50 ℃恒溫水浴振蕩器中保溫,200 r/min熱處理不同時間(0.5～6 h),按照1.3.3的方法測定每個時間點(diǎn)的酶活性。以酶液0 h時的催化活性為標(biāo)準(zhǔn),將其活性定義為100%。

1.3.4.2 最適溫度的測定

通過在不同溫度條件下測定酶活力,確定固定化酶的最適反應(yīng)溫度。將游離和固定化酶溶液分別置于25、35、45、55、65 ℃下進(jìn)行反應(yīng),不改變測定酶活力其他條件,對PLD和PLD-CLEAs的酶活力進(jìn)行測定。

1.3.4.3 最適pH的測定

將游離和固定化酶溶液置于不同pH的緩沖溶液體系(100 mmol/L,pH 5.0～10.0)中,底物溶液pH也對應(yīng)相應(yīng)的反應(yīng)pH值,對PLD和PLD-CLEAs的酶活力進(jìn)行測定。所使用的緩沖溶液分別是檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液(pH 5.0～6.0)、Na2HPO4-NaH2PO4緩沖液(pH 7.0～8.0)、Tris-HCl緩沖液(pH 9.0)和甘氨酸-NaOH緩沖液(pH 10.0)。

1.3.4.4 固定化酶重復(fù)使用性研究

配制一定濃度的固定化酶溶液,在最適反應(yīng)條件下以PC為底物測定其在500 nm處的吸光值,計(jì)算PLD-CLEAs的活性。將反應(yīng)溶液離心分離去上清液,用100 mmol/L的Tris-HCl緩沖液(pH 8.0)反復(fù)洗滌,以除去未反應(yīng)的底物和產(chǎn)物；隨后將離心洗滌后的固定化酶重新分散于緩沖液中,加入新的底物進(jìn)行下一次的反應(yīng),如此重復(fù)10次。連續(xù)測定固定化酶在循環(huán)多次后的剩余酶活力,第1次使用時的酶活力定義為100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 PLD游離酶的制備

PLD粗酶液的SDS-PAGE分析如圖2所示,在分子質(zhì)量約為60 kDa處,觀察到明顯的蛋白條帶,即為目的蛋白PLD。

M-蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；1-PLD發(fā)酵上清液

圖2 PLD的SDS-PAGE分析

Fig.2 SDS-PAGE analysis of the phospholipase D

2.2 PLD-CLEAs的制備與優(yōu)化

CLEAs的制備主要包括酶分子的沉淀和酶聚集體的交聯(lián),首先將溶解狀態(tài)的酶利用沉淀劑進(jìn)行物理沉淀形成酶聚集體,再加入交聯(lián)劑使之與酶發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成不溶的CLEAs。其中沉淀劑的種類和濃度、交聯(lián)劑的濃度和交聯(lián)反應(yīng)時間均對CLEAs的制備和酶學(xué)特性有重要影響。

沉淀是制備CLEAs的第1步。常用的沉淀劑主要包括非離子型聚合物、水溶性有機(jī)溶劑和中性鹽。為考察沉淀劑種類和濃度對酶沉淀過程中活性的影響,分別采用不同濃度的乙腈、乙醇、硫酸銨作為沉淀劑對PLD進(jìn)行沉淀實(shí)驗(yàn),隨后用Tris-HCl緩沖液(pH 8.0)對所得聚集體進(jìn)行復(fù)溶,測定溶解后的酶活力,并以未處理的PLD的酶活力為100%進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖3。隨著沉淀劑濃度的增加,復(fù)溶后聚集體的酶活力回收呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,但峰值出現(xiàn)的階段有所變化。對于乙腈和乙醇,分別在體積分?jǐn)?shù)60%和70%時的酶活力回收率最高,為40.6%和59.2%。但所有濃度條件下的酶活力均低于初始酶活力的60%。酶的失活可能是由于有機(jī)溶劑與酶的非極性殘基之間的疏水相互作用而引起的構(gòu)象變化所導(dǎo)致的[18]。當(dāng)硫酸銨飽和度為60%～80%時,其酶活力均高于PLD的初始酶活力,且濃度為60%時,酶活力回收率達(dá)到最大值,為132.5%。研究表明,當(dāng)硫酸銨飽和度較高(≥60%)時,會誘導(dǎo)酶分子形成一種高活化構(gòu)象,使酶分子獲得較高的活性,這種變化稱為超活化[19-20]。因此,選取飽和度為60%的硫酸銨作為沉淀劑。

圖3 沉淀劑的種類和濃度對PLD-CLEAs酶活力回收率的影響

Fig.3 Effects of precipitants type and concentration on PLD-CLEAs activity recovery

戊二醛是CLEAs制備過程中最常用的雙功能交聯(lián)試劑。利用戊二醛作為交聯(lián)劑,并探索不同濃度的戊二醛對PLD-CLEAs活性回收率的影響,結(jié)果如圖4。

圖4 戊二醛濃度對PLD-CLEAs酶活力回收率的影響

Fig.4 Effects of glutaraldehyde concentration on PLD-CLEAs activity recovery

由圖4可知,戊二醛濃度較低時,酶活力回收率較低,主要是因?yàn)榈蜐舛鹊奈於┖兔钢g的交聯(lián)不充分,所得交聯(lián)聚集體的酶損失較多；當(dāng)戊二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.125%時,PLD-CLEAs的酶活力回收率最高,但進(jìn)一步提高戊二醛濃度后,酶活力回收率開始下降,可能是因?yàn)檩^小體積的戊二醛進(jìn)入到酶分子內(nèi)部并使其發(fā)生分子內(nèi)交聯(lián),造成酶活性的損失[21]；且高交聯(lián)劑濃度下得到的大粒徑CLEAs會影響酶與底物的結(jié)合,從而降低了酶催化速率[22]。因此,選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.125%的戊二醛為交聯(lián)劑。

交聯(lián)時間是制備CLEAs的重要影響因素之一。圖5為不同交聯(lián)時間對PLD-CLEAs酶活力回收率的影響。在實(shí)驗(yàn)時間范圍(0.5～3 h)內(nèi),PLD-CLEAs的酶活力回收率隨交聯(lián)時間的延長先升高后降低,在1.5 h時達(dá)到最高值。在交聯(lián)前期,隨著時間的延長酶聚集體增多,得到的固定化酶的酶活力提高；交聯(lián)時間超過1.5 h后,過多的酶聚集在一起,導(dǎo)致PLD-CLEAs空間位阻變大,且由于大量酶活性位點(diǎn)被包埋在聚集體內(nèi)部而阻礙了酶與底物的接觸,造成酶活力回收率下降。因此,制備PLD-CLEAs的最佳交聯(lián)時間是1.5 h。

圖5 交聯(lián)時間對PLD-CLEAs酶活力回收率的影響

Fig.5 Effects of cross-linking time on PLD-CLEAs activity recovery

通過對PLD-CLEAs制備過程中的影響因素分析表明,以60%的硫酸銨溶液作為沉淀劑沉淀30 min后,加入0.125%的戊二醛交聯(lián)1.5 h,PLD-CLEAs的酶活力回收率最高,為118.8%。這可能是由于酶分子經(jīng)60%硫酸銨誘導(dǎo)所形成的超活化結(jié)構(gòu),通過戊二醛交聯(lián),成功地將高活性的酶構(gòu)象保留了下來。

2.3 PLD-CLEAs的特性分析

2.3.1 最適催化溫度

反應(yīng)溫度對PLD和PLD-CLEAs活性的影響見圖6。在25～45 ℃,游離與固定化酶的活性均隨溫度的升高而增大,在45 ℃時兩者的酶活性均達(dá)到最高值,且在相同反應(yīng)溫度下PLD-CLEAs的酶活力較高。當(dāng)溫度>45 ℃時,游離PLD的活性迅速下降,在65 ℃時的活性回收率僅為47.8%,而PLD-CLEAs在65 ℃時仍具有70.2%的酶活力。相較于游離酶,固定化酶提高了在較高溫度下的反應(yīng)活性,可能是由于戊二醛與酶分子之間的共價結(jié)合,提高了酶的剛性和構(gòu)象穩(wěn)定性,防止酶的構(gòu)象轉(zhuǎn)變并保護(hù)酶結(jié)構(gòu)不被破壞,從而增強(qiáng)了酶抵抗外界條件的能力[23]。

圖6 反應(yīng)溫度對游離PLD和PLD-CLEAs活性的影響

Fig.6 Effect of temperature on the activities of free PLD and PLD-CLEAs

2.3.2 最適催化pH

酶的固定化通常會導(dǎo)致酶構(gòu)象的變化,最適催化pH也會隨之發(fā)生變化。反應(yīng)pH對游離PLD和PLD-CLEAs活性的影響見圖7,游離PLD的最適反應(yīng)pH值為8.0,交聯(lián)后的PLD-CLEAs的最適pH是7.0。在pH 5.0～9.0 PLD-CLEAs的酶活力均高于游離酶,說明PLD的交聯(lián)固定化有利于穩(wěn)定酶的結(jié)構(gòu)[24]；而當(dāng)pH≥9.0時,游離酶的表現(xiàn)更好。表明得到的PLD-CLEAs在低pH條件下比游離酶的耐受性更好,拓寬了PLD的pH應(yīng)用范圍。

圖7 反應(yīng)pH對游離PLD和PLD-CLEAs活性的影響

Fig.7 Effect of pH on the activities of free PLD and PLD-CLEAs

2.3.3 熱穩(wěn)定性

為了更好地了解CLEAs對PLD熱穩(wěn)定性的影響,將游離PLD和PLD-CLEAs在50 ℃下保溫不同時間(0～6 h)后,測定他們的剩余酶活力,結(jié)果如圖8。隨著保溫時間的延長,游離PLD和PLD-CLEAs的活性逐漸降低,但PLD-CLEAs的下降速率明顯小于游離酶的降低速率。保溫2.5 h時,游離酶的活性僅為初始活性的51.3%,而PLD-CLEA仍保留78.6%的初始活性；當(dāng)保溫6 h后,PLD-CLEA的酶活力回收率高達(dá)52.2%,游離PLD已基本失活。表明PLD經(jīng)戊二醛交聯(lián)后,PLD-CLEA的抗熱應(yīng)力能力明顯提高,這主要是因?yàn)槊阜肿娱g發(fā)生交聯(lián)之后,酶分子間的多位點(diǎn)的共價結(jié)合增強(qiáng)了酶的剛性,防止酶的構(gòu)象轉(zhuǎn)變并保護(hù)酶結(jié)構(gòu)不被破壞,使其發(fā)生構(gòu)象變化和展開的可能性變小,因而提高了其在高溫條件下的穩(wěn)定性[25]。

圖8 游離PLD和PLD-CLEAs的熱穩(wěn)定性

Fig.8 Thermal stability of free PLD and PLD-CLEAs

2.3.4 固定化酶重復(fù)使用性

重復(fù)使用性是衡量固定化酶性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。以PC為底物,考察了PLD-CLEAs在連續(xù)使用10次后酶活力回收率的變化,結(jié)果見圖9。

圖9 固定化酶PLD-CLEAs的重復(fù)使用性

Fig.9 Reusability of PLD-CLEAs

由圖9可知,隨著使用次數(shù)的增加,PLD-CLEAs的酶活力回收率逐漸降低,在前7次的使用過程中,其酶活力降低較快,可能是由于CLEAs中的部分酶分子間沒有充分交聯(lián),只是吸附在酶聚集體的表面,在反復(fù)洗滌和離心回收的過程中發(fā)生酶的脫落,導(dǎo)致酶活性降低[26]；隨著使用次數(shù)的增加,酶活力仍在下降,但下降速率減慢,這可能是由于酶在催化過程中的失活和離心過程中的機(jī)械損傷或損失造成的[20]。在重復(fù)使用10次后,剩余酶活性仍然保留了初始酶活力的50.4%,表現(xiàn)出良好的重復(fù)使用性。LI等[27]將生物印跡法活化后的PLD進(jìn)行交聯(lián)固定化后所得固定化酶重復(fù)使用10次后,活性僅保留初始活性的21.8%。因此,PLD-CLEAs不僅具有較高的催化活性和熱穩(wěn)定性,且具有良好的重復(fù)使用性。這些優(yōu)異的特性使PLD-CLEAs成為一種非常有潛力的生物催化劑。

3 結(jié)論

本文采用CLEAs技術(shù)對PLD進(jìn)行固定化,得到PLD-CLEAs。在硫酸銨飽和度為60%,戊二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.125%,交聯(lián)1.5 h時,PLD-CLEAs的最大酶活力回收率為118.8%。PLD-CLEAs對pH和溫度的穩(wěn)定性明顯高于游離酶,且PLD-CLEAs具有良好的重復(fù)使用性。在重復(fù)使用10次后,PLD-CLEAs還能保持50%以上的酶活性。所制備的PLD-CLEAs在醫(yī)藥、化工等行業(yè)的具體應(yīng)用需要進(jìn)一步的研究,但其簡單的制備、高效的回收、優(yōu)異的催化性能和穩(wěn)定的操作性都說明,PLD-CLEAs的性能優(yōu)于游離酶,這使其在生物催化工業(yè)上有更大的應(yīng)用潛力。