Luận văn: TUYỂN CHỌN, NUÔI CẤY CHỦNG ASPERGILLUS AWAMORI SINH TỔNG HỢP ENDO-β-1,4-GLUCANASE VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA ENDO-β-1,4-GLUCANASE

Chia sẻ: Carol123 Carol123 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:97

Thêm vào BST

Báo xấu

83
lượt xem 29
download

Luận văn: TUYỂN CHỌN, NUÔI CẤY CHỦNG ASPERGILLUS AWAMORI SINH TỔNG HỢP ENDO-β-1,4-GLUCANASE VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA ENDO-β-1,4-GLUCANASE

Mô tả tài liệu

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cellulose là một thành phần quan trọng cấu tạo nên lớp thành tế bào thực vật. Đó là một loại polysaccharide có cấu trúc phức tạp. Việc phân hủy cellulose bằng các tác nhân lý hóa gặp nhiều khó khăn, làm ảnh hƣởng đến tốc độ của nhiều quá trình sản xuất công nghiệp. Endo-β-1,4-glucanase (3.2.1.4) là một trong ba loại enzyme thuộc hệ enzyme thủy phân cellulose (cellulase). Enzyme này tham gia phân cắt ngẫu nhiên các liên kết β-1,4 glucoside từ bên trong các phân tử cellulose và một số loại polysaccharide tƣơng tự khác tạo thành các oligosaccharide....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn: TUYỂN CHỌN, NUÔI CẤY CHỦNG ASPERGILLUS AWAMORI SINH TỔNG HỢP ENDO-β-1,4-GLUCANASE VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA ENDO-β-1,4-GLUCANASE

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM --------------------------------- NGUYỄN VĂN TUÂN TUYỂN CHỌN, NUÔI CẤY CHỦNG ASPERGILLUS AWAMORI SINH TỔNG HỢP ENDO-β-1,4-GLUCANASE VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA ENDO-β-1,4-GLUCANASE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC SINH HỌC THÁI NGUYÊN- 2009 Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM --------------------------------- NGUYỄN VĂN TUÂN TUYỂN CHỌN, NUÔI CẤY CHỦNG ASPERGILLUS AWAMORI SINH TỔNG HỢP ENDO-β-1,4-GLUCANASE VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA ENDO-β-1,4-GLUCANASE Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Mã số: 60. 42. 30 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC SINH HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Quyền Đình Thi Thực hiện tại: Viện Công nghệ Sinh học- Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam THÁI NGUYÊN - 2009 Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LỜI CẢM ƠN! Trƣớc hết tôi xin gửi lời cảm Sâu sắc tới TS. Quyền Đình Thi, Trƣởng phòng Công nghệ Sinh học Enzyme, Phó viện trƣởng Viện Công nghệ Sinh học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã định hƣớng nghiên cứu, hƣớng dẫn thí nghiệm, sửa luận văn và tạo mọi điều kiện về hoá chất cũng nhƣ trang thiết bị nghiên cứu để tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ Phòng Công nghệ Sinh học Enzyme, Viện Công nghệ Sinh học đã giúp đỡ tôi tận tình trong suốt quá trình làm luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Sinh học, Khoa Sau đại học, trƣờng Đại học Sƣ phạm, Đại học Thái Nguyên cùng các thầy cô giáo đã nhiệt tình giảng dạy và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khoá học. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Bộ môn Hoá- Sinh học, Ban chủ nhiệ m khoa Khoa học Cơ bản, Trƣờng đại học Nông Lâ m, Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện cho tôi đi học. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn những ngƣời thân trong gia đình và bạn bè đã giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian học tập. Thái Nguyên tháng 9 năm 2009 Học viên Nguyễn Văn Tuân Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
CÁC CHỮ VIẾT TẮT APS Ammonium persulphate BSA Bovine serum albumin CMC Carboxyl methyl cellulose Cộng sự cs DNA Deoxyribonucleic acid DEAE Diethylaminoethyl ĐC Đối chứng EDTA Ethylene diamine tetraacetic acid IU International unit kb Kilo base kDa Kilo Dalton LB Luria and Bertani M Marker Nhà xuất bản Nxb OD Optical density PCR Polymerase chain reaction rRNA Ribosome ribonucleic acid SDS-PAGE Sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis TBE Tris base-Boric acid-EDTA TE Tris-EDTA v/v Volume/volume w/v Weight/volume Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
M ỤC L ỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................... 3 KHÁI NIỆM VỀ CELLULASE VÀ ENDO-β-1,4-GLUCANASE ............ 3 1.1 NGUỒN GỐC VÀ PHÂN LOẠI ENDO-β-1,4-GLUCANASE .................. 4 1.2 1.2.1 Nguồn gốc ............................................................................................. 4 1.2.2 Phân loại................................................................................................ 6 CẤU TRÚC CỦA ENDO-β-1,4-GLUCANASE .......................................... 7 1.3 1.3.1 Cấu trúc bậc một.................................................................................... 7 1.3.2 Cấu trúc không gian ............................................................................... 9 1.3.3 Cấu trúc của trung tâm xúc tác và vùng liên kết cơ chất......................... 9 CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENDO-β-1,4-GLUCANASE ........................... 11 1.4 ỨNG DỤNG CỦA ENDO-β-1,4-GLUCANASE ....................................... 12 1.5 1.5.1 Trong công nghiệp thực phẩm ............................................................. 12 1.5.2 Trong công nghiệp sản xuất thức ăn gia súc ......................................... 13 1.5.3 Trong công nghiệp sản xuất dung môi hữu cơ ...................................... 15 1.5.4 Trong công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy ....................................... 15 1.5.5 Trong công nghiệp sản xuất chất tẩy rửa .............................................. 16 1.5.6 Trong công nghệ xử lý rác thải sản xuất phân bón vi sinh .................... 16 ẢNH HƢỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN MÔI TRƢỜNG ĐẾN KHẢ NĂNG 1.6 SINH TỔNG HỢP ENDO-β-1,4-GLUCANASE ....................................................... 17 TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA ENDO-β-1,4-GLUCANASE ...................... 20 1.7 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN Ở VIỆT NAM ...................... 22 1.8 CHƢƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP ........................................ 25 NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT ............................................................... 25 2.1 2.1.1 Chủng nấm .......................................................................................... 25 2.1.2 Thiết bị thí nghiệm .............................................................................. 25 2.1.3 Hóa chất .............................................................................................. 26 2.1.4 Môi trƣờng .......................................................................................... 26 Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.1.5 Dung dịch và đệm................................................................................ 27 PHƢƠNG PHÁP ........................................................................................... 28 2.2 2.2.1 Nuôi cấy vi sinh vật ............................................................................. 28 2.2.2 Xác định hoạt tính endoglucanase ........................................................ 28 2.2.3 Khảo sát ảnh hƣởng của một số yếu tố lên khả năng sinh tổng hợp endoglucanase ................................................................................................ 30 2.2.4 Tinh sạch enzyme ................................................................................ 32 2.2.5 Điện di SDS-PAGE ............................................................................. 33 2.2.6 Xác định tính chất lý hóa của endoglucanase ....................................... 34 2.2.7 Xác định hàm lƣợng protein tổng số ..................................................... 35 2.2.8 Các phƣơng pháp sinh học phân tử ...................................................... 36 2.2.9 Xử lý số liệu ........................................................................................ 41 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 42 TUYỂN CHỌN VÀ PHÂN LOẠI CHỦNG ASPERGILLUS AWAMORI 3.1 SINH TỔNG HỢP ENDOGLUCANASE CAO ........................................................ 42 3.1.1 Tuyển chọn .......................................................................................... 42 3.1.2 Phân loại chủng nấm sợi dựa vào phân đoạn gene 28S rRNA .............. 43 TỐI ƢU CÁC ĐIỀU KIỆN SINH TỔNG HỢP ENDOGLUCANASE .... 45 3.2 3.2.1 Khả năng sinh tổng hợp endoglucanase theo thời gian ......................... 45 3.2.2 Nhiệt độ nuôi cấy ................................................................................ 47 3.2.3 Ảnh hƣởng của nồng độ cơ chất cảm ứng ............................................ 48 3.2.4 Ảnh hƣởng của nguồn carbon và nồng độ nguồn carbon ...................... 50 3.2.5 Ảnh hƣởng của nguồn nitrogen và nồng độ nguồn nitrogen ................. 52 3.2.6 pH môi trƣờng nuôi cấy ban đầu .......................................................... 54 TINH SẠCH ENDOGLUCANASE ............................................................ 55 3.3 3.3.1 Tinh sạch qua cột sắc ký lọc gel sephadex G-100 ................................ 55 3.3.2 Tinh sạch qua cột sắc ký trao đổi ion DEAE ........................................ 56 NHỮNG TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA ENDOGLUCANASE ................. 57 3.4 3.4.1 Ảnh hƣởng của nồng độ cơ chất .......................................................... 57 Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.4.2 Nhiệt độ phản ứng tối ƣu ..................................................................... 58 3.4.3 pH phản ứng tối ƣu .............................................................................. 60 3.4.4 Độ bền nhiệt độ ................................................................................... 61 3.4.5 Độ bền pH ........................................................................................... 63 3.4.6 Ảnh hƣởng của dung môi hữu cơ ......................................................... 64 3.4.7 Ảnh hƣởng của ion kim loại................................................................. 65 3.4.8 Ảnh hƣởng của một số chất tẩy rửa...................................................... 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 71 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 79 Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Các thiết bị chính đƣợc sử dụng trong thí nghiệm ................................. 25 Bảng 2.2. Danh sách hóa chất chính đƣợc sử dụng trong thí nghiệm ..................... 26 Bảng 2.3. Danh sách dung dịch và đệm sử dụng trong thí nghiệm ......................... 27 Bảng 2.4. Thành phần gel điện di biến tính protein ............................................... 33 Bảng 3.1. Hoạt tính endoglucanase của 26 chủng A. awamori ............................... 43 Bảng tự nucleotide đoạn chủng 3.2. Trình gene 28S rRNA A. awamori VTCC-F-099 ...................................................................................... 79 Bảng 3.3. Khả năng sinh tổng hợp endoglucanase theo thời gian .......................... 79 Bảng 3.4. Ảnh hƣởng của nhiệt độ nuôi cấy .......................................................... 80 Bảng 3.5. Ảnh hƣởng nồng độ cơ chất cảm ứng .................................................... 80 Bảng 3.6. Ảnh hƣởng của nguồn carbon ................................................................ 50 Bảng 3.7. Ảnh hƣởng của nồng độ lõi ngô ............................................................ 80 Bảng 3.8. Ảnh hƣởng của nguồn nitrogen ............................................................. 52 Bảng 3.9. Ảnh hƣởng của nồng độ ammonium acetate .......................................... 81 Bảng 3.10. Ảnh hƣởng của pH môi trƣờng nuôi cấy ban đầu ................................ 81 Bảng 3.11. Hoạt tính endoglucanase các phân đoạn qua cột Sephadex G-100 ....... 81 Bảng 3.12. Hoạt tính endoglucanase các phân đoạn qua cột sắc ký DEAE ............ 82 Bảng t ắt sạch từ chủng 3.13. Tóm quá trình tinh endoglucanase A. awamori VTCC-F-099 ...................................................................................... 57 Bảng 3.14. Ảnh hƣởng của nồng độ cơ chất đến hoạt tính endoglucanase ............. 82 Bảng 3.15. Ảnh hƣởng của nhiệt độ phản ứng đến hoạt tính endoglucanase .......... 82 Bảng 3.16. Ảnh hƣởng của pH hỗn hợp phản ứng đến hoạt tính endoglucanase .... 83 Bảng 3.17. Độ bền nhiệt độ của endoglucanase ..................................................... 83 Bảng 3.18. Độ bền pH của endoglucanase ............................................................. 84 Bảng 3.19. Độ bền pH theo thời gian của endoglucanase ...................................... 85 Bảng 3.20. Ảnh hƣởng của dung môi hữu cơ đến hoạt tính endoglucanase............ 86 Bảng 3.21. Ảnh hƣởng của ion kim loại ................................................................ 66 Bảng 3.22. Ảnh hƣởng của một số chất tẩy rửa đến hoạt tính endoglucanase ........ 86 Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ thủy phân liên kết  -1,4-O-glucoside của cellulase ........................ 3 Hình 1.2. Trình tự amino acid tƣơng ứng với cấu trúc bậc 2 của Cel12A từ một số chủng vi sinh vật .................................................................................................... 8 Hình 1.3. Mô hình cấu trúc không gian (A); Sơ đồ trung tâm xúc tác (B) của Cel12A từ H. grisea ......................................................................................... 9 Hình 1.4. Cấu trúc vùng CBD của Cel12A từ Humicola grisea ............................. 10 Hình 1.5. Cơ chế thủy phân phân tử cellulose (A) và phức hệ cellulose (B) của các enzyme thuộc phức hệ cellulase ............................................................................. 11 Hình 2.1. Đƣờng chuẩn nồng độ glucose............................................................... 30 Hình 2.2. Quy trình tinh sạch endoglucanase từ chủng A. awamori VTCC-F-099 . 33 Hình 2.3. Đƣờng chuẩn Bradford dùng BSA làm chuẩn ........................................ 36 Hình 3.1. Hoạt tính endoglucanase của 26 chủng A. awamori nghiên cứu ............. 42 Hình 3.2. Điện di đồ DNA tổng số (A); Sản phẩm PCR (B): với khuôn DNA tách chiết từ chủng A. awamori VTCC-F-099; Sản phẩm cắt vector tái tổ hợp bằng XbaI và XhoI (C). ................................................................................................. 44 Hình 3.3. Cây phân loại chủng A. awamori VTCC-F-099 ..................................... 45 Hình 3.4. Khả năng sinh tổng hợp endoglucanase theo thời gian của chủng A. awamori VTCC-F-099 ..................................................................................... 46 Hình 3.5. Ảnh hƣởng của nhiệt độ nuôi cấy đến khả năng sinh tổng hợp endoglucanase của chủng A. awamori VTCC-F-099 ............................................. 48 Hình 3.6. Ảnh hƣởng của nồng độ CMC đến khả năng sinh tổng hợp endoglucanase của chủng A. awamori VTCC-F-099 .................................................................... 49 Hình 3.7. Ảnh hƣởng của nồng độ lõi ngô đến khả năng sinh tổng hợp endoglucanase của chủng A. awamori VTCC-F-099 ............................................. 51 Hình 3.8. Ảnh hƣởng của nồng độ ammonium acetate đến khả năng sinh tổng hợp endoglucanase của chủng A. awamori VTCC-F-099.............................................. 53 Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.9. Ảnh hƣởng của pH môi trƣờng nuôi cấy đến khả năng sinh tổng hợp endoglucanase của chủng A. awamori VTCC-F-099 ............................................. 54 Hình 3.10. Điện di đồ trên gel polyacrylamide sản phẩm tinh sạch endoglucanase từ chủng A. awamori VTCC-F-099 qua cột Sephadex G-100 ............................... 56 Hình 3.11. Điện di đồ sản phẩm tinh sạch endoglucanase trên gel polyacrylamide....... ............................................................................................... 57 Hình 3.12. Ảnh hƣởng của nồng độ cơ chất lên hoạt tính endoglucanase từ chủng A. awamori VTCC-F-099 ...................................................................................... 58 Hình 3.13. Ảnh hƣởng của nhiệt độ phản ứng lên hoạt tính endoglucanase từ chủng A. awamori VTCC-F-099 ...................................................................................... 60 Hình 3.14. Ảnh hƣởng của pH phản ứng lên hoạt tính endoglucanase từ chủng A. awamori VTCC-F-099 ...................................................................................... 61 Hình 3.15. Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên độ bền endoglucanase từ chủng A. awamori VTCC-F-099 ...................................................................................... 62 Hình 3.16. Ảnh hƣởng của pH tới độ bền endoglucanase từ chủng A. awamori VTCC-F-099 ...................................................................................... 63 Hình 3.17. Ảnh hƣởng của pH tới độ bền endoglucanase từ chủng A. awamori VTCC-F-099 theo thời gian ................................................................ 64 Hình 3.18. Ảnh hƣởng của dung môi hữu cơ lên hoạt tính endoglucanase từ chủng A. awamori VTCC-F-099. ..................................................................................... 65 Hình 3.19. Ảnh hƣởng của chất tẩy rửa lên hoạt tính endoglucanase từ chủng A. awamori VTCC-F-099. ..................................................................................... 68 Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
M Ở ĐẦU 1 Cellulose là một thành phần quan trọng cấu tạo nên lớp thành tế bào thực vật. Đó là một loại polysaccharide có cấu trúc phức tạp. Việc phân hủy cellulose bằng các tác nhân lý hóa gặp nhiều khó khăn, làm ảnh hƣởng đế n tốc độ của nhiều quá trình sản xuất công nghiệp. Endo-β-1,4-glucanase (3.2.1.4) là một trong ba loại enzyme thuộc hệ enzyme thủy phân cellulose (cellulase). Enzyme này tham gia phân c ắt ngẫu nhiên các liên kết β-1,4 glucoside từ bên trong các phân tử cellulose và một số loại polysaccharide tƣơng tự khác tạo thành các oligosaccharide. Endo-β-1,4-glucanase có thể đƣợc sản xuất bởi rất nhiều loại vi sinh vật nhƣ vi khuẩn, nấm men, nấm mốc. Ngoài ra, endo-β-1,4-glucanase còn có ở thực vật, động vật nguyên sinh và một số loài động vật không xƣơng sống khác. Các enzyme có nguồn gốc khác nhau sẽ có cấu trúc khác nhau. Điều này dẫn tới sự khác nhau về hoạt tính xúc tác và điều kiện phản ứng tối ƣu của các enzyme. Hiện nay, việc sử dụng các enzyme nhƣ endo -β-1,4-glucanase trong một số ngành công nghiệp nhƣ: công nghiệp thực phẩ m, công nghiệp chế biến thức ăn gia súc, công nghiệp giấy, bột giặt, sản xuất dung môi hữu cơ và xử lý môi trƣờng là rất quan trọng, mang lại nhiều giá trị to lớn. Tuy nhiên, những enzyme và chế phẩm có liên quan đƣợc sử dụng trong các ngành công nghiệp ở Việt Nam và một số nƣớc hiện nay chủ yế u đƣợc nhập khẩu từ nƣớc ngoài với giá thành cao. Vì thế, việc nghiên cứu, sản xuất ra các chế phẩm enzyme có nguồn gốc tự nhiên đang là một đòi hỏi cấp thiết đối với nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam. Nƣớc ta là một nƣớc sản xuất nông nghiệp nên nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất các enzyme nhƣ endo-β-1,4-glucanase là rất phong phú. Xuất phát từ những lý do Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1
trên và tình hình nghiên cứu tại Việt Nam, chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: “Tuyển chọn, nuôi cấy chủng Aspergillus awamori sinh tổng hợp endo-β-1,4-glucanase và đánh giá tính chất lý hóa của endo-β-1,4- glucanase” với các mục tiêu: (1) Tuyển chọn các chủng Aspergillus awamori sinh tổng hợp endo-β-1,4-glucanase cao và tìm môi trƣờng nuôi cấy thích hợp để tạo endo-β-1,4-glucanase ngoại bào, (2) Tinh sạch đƣợc endo-β-1,4- glucanase và đánh giá một số tính chất lý hóa của nó. Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2 2.1 KHÁI NIỆM VỀ CELLULASE VÀ ENDO-β-1,4-GLUCANASE Cellulase là nhóm enzyme thủy phân có khả năng cắt mối liên kết -1,4-O-glucoside trong phân tử cellulose và một số cơ chất tƣơng tự khác. Đó là một phức hệ gồm nhiều loại enzyme khác nhau và đƣợc xếp thành 3 nhóm cơ bản: endo-β-1,4-glucanase hay carboxymethyl cellulase (CMCase) (EC 3.2.1.4), exo-β-1,4-glucanase hay cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) và β-glucosidase hay β-D-glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21) [30], [39]. Mỗi loại enzyme tham gia thủy phân cơ chất theo một cơ chế nhất định và nhờ có sự phối hợp hoạt động của các enzyme đó mà phân t ử cơ chất đƣợc thủy phân hoàn toàn tạo thành các sản phẩm đơn giản nhất. Endo-β-1,4-glucanase là loại enzyme tham gia xúc tác phản ứng thủy phân các liên kết β-1,4 glucoside ở bên trong các phân t ử cellulose và một số cơ chất tƣơng tự khác thành các sản phẩm đơn giản hơn (các oligosaccharide). Hình 1.1. Sơ đồ thủy phân liên kết -1,4-O-glucoside của cellulase Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3
2.2 NGUỒN GỐC VÀ PHÂN LOẠI ENDO-β-1,4-GLUCANASE 2.2.1 Nguồn gốc Endo-β-1,4-glucanase có thể đƣợc tổng hợp từ rất nhiều nguồn khác nhau trong tự nhiên, trong đó chủ yếu có nguồn gốc từ vi sinh vật. Trong tự nhiên có rất nhiều chủng vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc và một số loại nấ m men có khả năng sinh tổng hợp endo-β-1,4-glucanase. Nấm mốc là một trong những đối tƣợng vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp endo-β-1,4-glucanase mạnh nhất. Nhiều chủng nấm mốc thuộc các chi Aspergillus, Trichoderma, Penicillium, Phanerochaete đã đƣợc nghiên cứu là có khả năng sinh tổng hợp endo-β-1,4-glucanase mạnh nhƣ: Aspergillus niger [25], [26], A. flavus, A. fumigatus [27] A. terreus [29] Trichoderma reesei [53], Penicillium persicinum, P. brasilianum [33], Penicillium sp. [10], Phanerochaete chrysosporium [34]. Bên cạnh nấm mốc, vi khuẩn cũng đƣợc xem là một trong những đố i tƣợng có khả năng sinh tổng hợp endo-β-1,4-glucanase khá phong phú. Nhiều loài vi khuẩn hiếu khí đã đƣợc nghiên cứu là có khả năng sinh tổng hợp endo-β-1,4-glucanase mạnh nhƣ Acidothemus cellulobuticus [22], Bacillus pumilis [32], Cellulomonas flavigena, C. udai [20], [21], Pseudomonas fluoressens [42]. Không chỉ có các vi khuẩn hiếu khí mà một số vi khuẩ n kỵ khí cũng có khả năng sinh tổng hợp endo-β-1,4-glucanase mạnh nhƣ Clostridium [57]. Nhiều chủng xạ khuẩn thuộc chi Actinomyces, Streptomyces cũng có khả năng sinh tổng hợp endo-β-1,4-glucanase mạnh nhƣ: Actinomyces griseus [13], Streptomyces reticuli [61]. Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4
Ngoài ra, endo-β-1,4-glucanase còn đƣợc sinh tổng hợp ở thực vật Arabidopsis [23], ở động vật nguyên sinh và một số động vật không xƣơng sống khác nhƣ mối [62], ở động vật thân mềm nhƣ Mytilus edulis [63]. Trong số các nguồn sinh enzyme trên thì vi sinh vật đƣợc xem là nguồ n cung cấp enzyme với nhiều ƣu điểm nổi bật và có tính chất độc đáo vƣợt xa so với enzyme có nguồn gốc từ động vật, thực vật. Vì thế, chúng đƣợc sử dụng rộng rãi trong quá trình sản xuất các chế phẩ m enzyme. Trƣớc hết, vi sinh vật là nguồn nguyên liệu vô tận để sản xuất enzyme với số lƣợng lớn. Đây cũng là nguồn nguyên liệu mà con ngƣời chủ động tạo ra đƣợc. Chu kỳ sinh trƣởng của vi sinh vật ngắn (từ 16-100 giờ). Vi sinh vật sinh trƣởng, phát triển với tốc độ cực kỳ nhanh chóng, khối lƣợng lại nhỏ, kích thƣớc bé, nhƣng tỷ lệ enzyme trong tế bào tƣơng đối lớn nên quy trình sản xuất chế phẩm enzyme khá dễ dàng, hiệu suất thu hồi cao. Hơn nữa, enzyme từ vi sinh vật có hoạt tính rất mạnh, vƣợt xa các sinh vật khác. Đối với một số trƣờng hợp có thể dùng 100% sinh khối vi sinh vật làm nguồn enzyme. Vi sinh vật rất nhạy cảm đối với tác động của môi trƣờng, thành phần dinh dƣỡng nuôi chúng cũng nhƣ một số tác nhân lý hóa, cơ học khác. Do đó có thể thay đổi những điều kiện nuôi cấy để chọn những chủng cho hàm lƣợng enzyme đáng kể với hoạt tính xúc tác cao. Có thể nói rằng, với vi sinh vật, ngƣời ta có thể điều khiển sự tổng hợp enzyme dễ dàng hơn trên các đối tƣợng khác để tăng lƣợng enzyme đƣợc tổng hợp hoặc tổng hợp định hƣớng enzyme. Tuy vậy, trong quá trình chọn nguồn nguyên liệu từ vi sinh vật, cần lƣu ý một số vi sinh vật có khả năng sinh độc tố để có biện pháp xử lý thích hợp. Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5
2.2.2 Phân loại Theo Ủy ban danh pháp c ủa Hiệp hội Hóa sinh và Sinh học phân tử Quốc tế, cellulase thuộc lớp 3 (hydrolase): các enzyme xúc tác phản ứng thủy phân, tổ 2 (glycosidase): thủy phân các liên kết glycoside, nhóm 1: thủy phân liên kết O- và S-glycoside (International Union of Biochemistry and Molecular Biology, 1992; http://afmb.cnrs-mrs.fr/ pedro/CAZY/db.html). Cellulase là một phức hệ gồ m nhiều loại enzyme khác nhau. Tùy theo quan điểm của từng tác giả mà các enzyme thuộc phức hệ cellulase đƣợc xếp thành các nhóm khác nhau. Trƣớc đây, cellulase đƣợc chia làm hai nhóm: nhóm enzyme C1 và nhóm enzyme Cx. Các enzyme C1 có khả năng thủy phân sợi cellulose tự nhiên, có tính đặc hiệu không rõ ràng. Các enzyme Cx đƣợc chia thành hai loại: exo -1,4-glucanase (3.2.1.21) xúc tác cho phản ứng cắt đứt gốc glucose từ đầu không khử của chuỗi cellulose; endo -1,4-glucanase (3.2.1.4) hoạt động tùy tiện hơn, xúc tác cho phản ứng thủy phân liên kết bên trong phân tử cellulose [7]. Hiện nay, cellulase đƣợc chia làm ba dạng: dạng 1 là endoglucanase 1,4--D-glucan-4-glucanohydrolase hoặc hay carboxylmethylcellulase (CMCase) (EC 3.2.1.4), dạng 2 là exoglucanase bao gồm 1,4--D-glucan gọ i glucanohydrolase (còn là cellodextrinase) (EC 3.2.1.74) và 1,4--D-glucan cellobiohydrolase (cellobiohydrolase) (EC 3.2.1.91), dạng 3 là -glucosidase hoặc -glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21). Endoglucanase xúc tác cho phản ứng thủy phân các liên kết ở bên trong phân tử cellulose. Exoglucanase thủy phân các liên kết ở đầu khử và đầu không khử của phân tử cellulose. -glucosidase thủy phân các phân tử cellodextrin và cellobiose thành glucose [30], [39], [45]. Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6
Các cellulase có nguồn gốc khác nhau đƣợc sắp xếp thành các họ. Trƣớc đây, dựa vào cấu trúc bậc một của phân tử protein enzyme, cellulase đƣợc chia làm 6 họ: A, B, C, D, E và F [35]. Sau đó, cellulase đƣợc chia thành 9 họ: A, B, C, D, E, F, G, H và I dựa vào cấu trúc của tâm xúc tác [31]. Hiện nay, các cellulase đƣợc sắp xếp trong 12 họ: 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 44, 45, 48, 61 và 74 [45]. 2.3 CẤU TRÚC CỦA ENDO-β-1,4-GLUCANASE 2.3.1 Cấu trúc bậc một Endoglucanase từ các nguồn gốc khác nhau có thành phần cấu tạo và cấu trúc khác nhau. Sự khác nhau đó thể hiện trƣớc hết ở sự đa dạng về khối lƣợng phân tử, thành phần và trật tự sắp xếp của các amino acid trên chuỗ i polypeptide. Chủng A. oryzae KBN616 có khả năng sinh tổng hợp hai loạ i endoglucanase là Cel A và Cel B. Phân t ử protein Cel A gồm 239 amino acid, trọng lƣợng phân tử 31 kDa, đƣợc xếp vào họ cellulase H. Trong khi đó, Cel B đƣợc xếp vào họ cellulase C với chiều dài 416 amino acid và khối lƣợng phân tử 53 kDa [43]. Phân tử endoglucanase từ A. aculeatus bao gồ m 410 amino acid với khối lƣợng phân tử khoảng 43,7 kDa [59]. Các endoglucanase từ chủng A. niger Z10 có khối lƣợng phân tử 83 kDa và 50 kDa [25], từ A. terreus là 25 kDa [29], từ Trichoderma reesei là 48 kDa và 55 kDa [40], [47], từ Bacillus sp. D04 có khối lƣợng 35 kDa [56]. Sandgren và cs (2003) đã có những nghiên cứu chi tiết về cấu trúc Cel12A thuộc họ 12 (GH 12) endoglucanase từ nấm chịu nhiệt Humicola grisea. Cel12A của H. grisea là một chuỗi polypeptide gồ m 224 amino acid cấu tạo nên các chuỗi ,  và các vùng nối (Hình 1.2) [55]. Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7
Hình 1.2. Trình tự amino acid tƣơng ứng với cấu trúc bậc 2 của Cel12A từ một số chủng vi sinh vật [55]. Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8
2.3.2 Cấu trúc không gian Sự khác nhau về cấu trúc của các enzyme còn thể hiện ở sự sắp xếp trong không gian các chuỗi polypeptide, các trung tâm xúc tác và cá c vùng liên kết cơ chất. Chính nhờ sự khác nhau về cấu trúc không gian của các protein enzyme dẫn tới sự khác nhau về các tính chất hóa lý của chúng. Phân tử Cel12A của H. grisea cấu tạo bởi 1 chuỗi , 2 chuỗi  (A và B). Chuỗi -A đƣợc cấu tạo bởi 6 dải xoắn  (A1-A6), chuỗi -B đƣợc cấu tạo bởi 9 dải xoắn  (B1-B9). Các dải xoắn  đƣợc nối với nhau bởi các vùng nối, có 4 vùng nối lớn 29-32, 40-47, 92-96, và 165-169 nối tƣơng ứng các dải xoắn : B2-A2, A2-A3, A5-B5 và A6-B7 (Hình 1.3A) [55]. 2.3.3 Cấu trúc của trung tâm xúc tác và vùng liên kết cơ chất Trung tâm xúc tác của Cel12A từ H. grisea gồm 2 amino acid là glutamic acid E-120 và E-205 (Hình 1.3B), còn ở Cel12A từ Trichoderma reesei là E-116 và E-200 [55]. Hình 1.3. Mô hình cấu trúc không gian (A); Sơ đồ trung tâm xúc tác (B) của Cel12A từ H. grisea [55] Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9
Vai trò liên kết cơ chất khi tham gia xúc tác thủy phân cellulose của các cellulase đƣợc thực hiện nhờ các vùng liên kết đặc hiệu cellulose bind domain (CBD). Các CBD có thể nằm trong trung tâm hoạt động của enzyme hoặc không. Tùy thuộc vào từng loại enzyme mà vùng liên kết này có cấu tạo hóa học và cấu trúc không gian khác nhau. Cel12A c ủa H. grisea có 3 vùng liên kết với sự tham gia của các amino acid, trong đó cystein (C175, C206, C216) đóng vai trò trung tâm. CBD1 với C175 làm trung tâm nằ m trên dải xoắn -A6 liên kết yếu với các amino acid T85, I123, A144, F173, I177, và F180 bằng tƣơng tác Van der Walls. Liên kết giữa các amino acid trong CBD1 có kích thƣớc 3,5 đến 4,1 Å (Hình 1.4A). CBD2 với C206 làm trung tâm nằm trên dải xoắn -B4 liên kết với các amino acid Q34, W52, W54, S63, P65, Y91, A98 và T204. Liên kết giữa các amino acid trong CBD2 có kích thƣớc 3,3 đến 4,9 Å và CBD2 chứa trung tâm hoạt động (Glu 205) (Hình 1.4B). CBD3 với C216 làm trung tâm nằ m trên dải xoắn -A4 liên kết với các amino acid W48, V87, W89, F214 và F219. Liên kết giữa các amino acid trong CBD3 có kích thƣớc 3,3 đến 4,8 Å (Hình 1.4C) [55]. Hình 1.4. Cấu trúc vùng CBD c ủa Cel12A từ Humicola grisea [55] Số hóa bới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10