堿性果膠酶（Pectate Lyase, PL, EC 4.2.2.2）催化多聚半乳糖醛酸裂解α-1,4-糖苷鍵，產(chǎn)生短鏈的不飽和寡聚半乳糖醛酸，廣泛應(yīng)用于棉織品前處理，食品加工，植物（麻類）纖維脫膠，污水處理和造紙制漿等加工過程。近年來，其作為生物精練或者脫膠助劑在麻類脫膠過程中得到廣泛應(yīng)用。然而，堿性果膠酶的大規(guī)模生產(chǎn)卻受到低表達(dá)、低產(chǎn)率和高費(fèi)用等因素的制約，限制了該酶在脫膠工業(yè)的廣泛應(yīng)用。
中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所宋江寧研究員帶領(lǐng)的結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)與整合系統(tǒng)生物學(xué)研究組近年來針對(duì)如何提高堿性果膠酶產(chǎn)量的這個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開展了一系列深入研究，開發(fā)了一套經(jīng)濟(jì)效益高、過程控制簡(jiǎn)便、適應(yīng)工業(yè)化大生產(chǎn)要求的重組大腸桿菌高產(chǎn)堿性果膠酶的發(fā)酵工藝。該工作中，通過控制細(xì)胞比生長(zhǎng)速率，建立了多步甘油補(bǔ)料策略，實(shí)現(xiàn)了大腸桿菌的高密度培養(yǎng)，能夠有效地控制細(xì)胞生長(zhǎng)和減少代謝副產(chǎn)物乙酸的產(chǎn)生，最終產(chǎn)酶水平和生產(chǎn)速率分別高達(dá)4475 U/mL和17569.7 U/g/h，為公開報(bào)道的最高產(chǎn)量和產(chǎn)酶效率，達(dá)到世界先進(jìn)水平（如圖）。此外，為了減輕誘導(dǎo)物IPTG對(duì)細(xì)胞的毒害作用，并進(jìn)一步降低堿性果膠酶的生產(chǎn)成本，該工作還開發(fā)了采用溫和、連續(xù)的乳糖補(bǔ)料策略代替昂貴的IPTG進(jìn)行誘導(dǎo)，胞外和總產(chǎn)酶水平亦可分別達(dá)到4478和5337 U/mL。
該研究表明，誘導(dǎo)溫度對(duì)重組大腸桿菌產(chǎn)酶過程中的胞外分泌能力有顯著影響；誘導(dǎo)劑（包括IPTG和乳糖）濃度也對(duì)重組大腸桿菌的表達(dá)和胞外分泌能力有一定的影響，通過對(duì)這些條件的優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)堿性果膠酶的最優(yōu)產(chǎn)量。該研究成果也對(duì)其他工業(yè)酶的重組工程菌規(guī)�；a(chǎn)具有重要借鑒意義。
研究成果發(fā)表在SCI雜志Biochemical Engineering Journal上，天津工生所結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)與整合系統(tǒng)生物學(xué)研究組科研助理王輝林和李小曼為論文的共同第一作者。該研究得到中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃（擇優(yōu)）、中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程項(xiàng)目（KSCX2-EW-G-8）和天津市重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（10ZCKFSY05600）的資助，并已申請(qǐng)1項(xiàng)國(guó)家專利。
產(chǎn)酶過程曲線細(xì)胞濃度(■)，胞內(nèi)酶活(▲)，胞外酶活(▼)，酶分泌能力(□)，以及總酶活 (●)，培養(yǎng)溫度30°C，IPTG誘導(dǎo)濃度0.4 mM
