甲烷單加氧酶的克隆與表達(dá)
化學(xué)先生 / 2019-07-29
在1994年和1996年,美國Jahng和Wood發(fā)表了以O(shè)B3b菌為背景的基因工程菌降解三氯乙烯和氯仿的研究結(jié)果,當(dāng)時(shí)由于構(gòu)建的基因工程菌活性極低,所以他們認(rèn)為該基因工程菌可能沒有活性。2002 年,Wood在Microbiol. Comm.上又發(fā)表文章指出,1994年和1996年發(fā)表的那兩篇論文,對基因工程菌活性的判斷可能有誤。他們認(rèn)為,第一個(gè)以菌株OB3b為背景構(gòu)建的Psudomonas Putida F1是有活性的,因?yàn)閷CE(三氯乙烯)的降解活性為5nmol/(min.mg)。而在1996年的報(bào)道中,由于他們使用的是休止細(xì)胞,對TCE的降解率雖然只為6~ 8μmol/(L.5h),但也有相應(yīng)量的氯化物產(chǎn)生。第2個(gè)證據(jù)是MMO缺失型P. Putida F1,在甲苯不足的葡萄糖培養(yǎng)液中生長,不能表達(dá)甲苯雙加氧酶,故P. Puida F1菌株也不能降解TCE,而含sMMO的基因工程菌P. Putida F1是能夠降解TCE的。這就證明了sMMO的活性可以進(jìn)行成功表達(dá)。1996 年的報(bào)道還表明,來自于OB3b的sMMO重組基因,在P. Putida F1、Agrobacterium tumefaoiens A114 和Rhizobium meliloti 102F34 三個(gè)不同宿主中表達(dá),采用標(biāo)準(zhǔn)的MMO活性分析方法,測定它們的粗提取液對丙烯環(huán)氧化的活性,也得到類似結(jié)果。因此可以斷言,在1994年和1996年的報(bào)道中,基因重組的sMMO雖然活性極低,但畢竟還是有活性,應(yīng)該是可溶性甲烷單加氧酶基因的首次成功表達(dá)。

在2003年日本京都大學(xué)理工研究所年報(bào)中,F(xiàn)ukuda 等報(bào)道了來自Meth-ylocystis sp. M菌株的羥基化酶基因高效表達(dá)結(jié)果。根據(jù)所報(bào)道的Methylo-cystis sp. M菌株的基因序列信息,PCR 擴(kuò)增了羥基化酶的亞基,并將其克隆到PET質(zhì)粒系統(tǒng),表達(dá)在E.coli中。a、β亞基是以攜帶組氨酸標(biāo)簽的包涵體形式表達(dá)的,γ亞基是以溶解形式表達(dá)的,在E.coli 中超過50%的總蛋白為a、β亞基。 1999年,Lloyd報(bào)道了sMMO基因在M. tricbosporium 的sMMO缺失型菌株中表達(dá),其活性為140nmol/(L. . min) (丙烯環(huán)氧化測定法),這一結(jié)果比野生菌活性提高了三倍。由此證明,在同源宿主中表達(dá),其活性可比在異源宿主中表達(dá)高很多。
目前,來自于OB3b的sMMO基因,在Meth ylomicrobium album BG8和Meth. ylocystisparvus OBBP這兩個(gè)sMMO缺失型菌株中沒有獲得成功表達(dá)。但這兩個(gè)宿主仍被認(rèn)為是表達(dá)sMMO的最好宿主,因?yàn)樗鼈兊挠H緣性很近,可能含有使蛋白質(zhì)正確折疊的組裝蛋白。通過含有相同啟動(dòng)子的寬宿主范圍質(zhì)粒,轉(zhuǎn)人到該宿主細(xì)胞中,有可能得到高活性sMMO表達(dá)。使用sMMO缺失型OB3b的突變菌株可以同源表達(dá)sMMO基因,盡管突變菌株的獲得非常困難,但還是解決MMO基因工程菌活性較低的方法之一。將卡那霉素標(biāo)記插入到染色體的MMOX基因中,用來交換標(biāo)記的突變菌株,已經(jīng)可以用于產(chǎn)生突變的sMMO,該突變菌株表現(xiàn)出sMMO缺失。pMMO呈陽性顯性,這個(gè)重組的質(zhì)粒載體是PVR100Sc,它含有天然的啟動(dòng)子和sMMO操縱子,被成功構(gòu)建后表現(xiàn)為sMMO陽性顯性。在野生的OB3b中,Cu2+大于0.25pmol/L就抑制了sMMO的活性,而將重組質(zhì)粒PVR100Sc轉(zhuǎn)導(dǎo)人sMMO缺失型的OB3b宿主中,這個(gè)重組的基因工程菌表現(xiàn)子對Cu2+的不敏感性; Cu2+大于0.75pumol/L時(shí),sMMO仍然可以穩(wěn)定表達(dá)。在該條件下,添加過量的還原酶后,sMMO僅僅在無細(xì)胞提取液中才能被檢測到,因?yàn)镃u2+在細(xì)胞外抑制了還原酶的活性。在高Cu2+濃度的基因工程菌中,sMMO能夠穩(wěn)定表達(dá),可能是由于增加了攜帶在質(zhì)粒PVR100Sc上的基因拷貝數(shù),這也是唯一篇有關(guān)重組菌與野生菌具有相同活性的報(bào)道。在低Cu2+濃度時(shí),重組菌的活性是野生菌的3倍,這就表明,有可能利用此系統(tǒng)進(jìn)行sMMO的原位突變和構(gòu)效關(guān)系研究。使用T7聚合酶表達(dá)系統(tǒng),宿主為大腸桿菌,表達(dá)sMMO的組分B和還原酶,其表達(dá)產(chǎn)物是有活性的,而表達(dá)羥基化酶時(shí)活性極低,幾乎沒有活性。分析原因,有可能是在異型宿主中,沒有酶的后期組裝蛋白所引起的。