Breeding of a thermostable xylanase-producing strain of Myceliophthora thermophila by atmospheric room temperature plasma (ARTP) mutagenesis
- 作者
- Ning Zhang, Yue Jiang, Yun-Juan Sun, Jian-Chun Jiang, Ya-Juan Tong
- 单位
- Key Lab of Biomass Energy and Material, Key Lab of Chemical Engineering of Forest Products, National Engineering Research Center of Low-Carbon Processing and Utilization of Forest Biomass, Jiangsu Co-Innovation Center of Efficient Processing and Utilization of Forest Resource, National Forestry and Grassland Administration, Institute of Chemical Industry of Forest Products, Chinese Academy of Forestry (CAF), Nanjing, Jiangsu, China; Co-Innovation Center of Efficient Processing and Utilization of Forest Resources, Nanjing Forestry University, Nanjing, China
- 杂志
- Frontiers in Bioengineering and Biotechnology（2023）
- DOI
- 10.3389/fbioe.2022.1095323
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
天然木聚糖酶多为中温酶，热稳定性差，难以满足工业应用（如燃料乙醇生产中高温、弱酸预处理条件）的需求，需要筛选和构建耐高温、耐酸的木聚糖酶高产菌株。
研究策略
利用常压室温等离子体（ARTP）诱变嗜热真菌 Myceliophthora thermophila，通过检测抗氧化酶系统变化确定诱变条件，经多轮诱变和逐步升温驯化筛选耐热木聚糖酶高产突变株。
核心内容
该研究针对工业木聚糖酶热稳定性不足的问题，采用常压室温等离子体（ARTP）诱变嗜热真菌Myceliophthora thermophila CICC 2441，并结合逐步升温驯化策略筛选耐热高产突变株。通过监测诱变过程中超氧化物歧化酶（SOD）、多酚氧化酶（PPO）等抗氧化酶活性的变化来确定最佳诱变条件，最终获得突变株M2103。该突变株的木聚糖酶活性从原始菌株的1457.30 U/g提高到1861.38 U/g，提升21.71%；最适反应温度由60°C升至75°C，在70–85°C范围内保持稳定，90°C时仍保留67%活性；同时pH耐受范围拓宽，在pH 6.0–8.5间活性稳定，pH 10.0时残余活性达82.63%。经70°C处理20分钟活性几乎不变，90°C处理20分钟后残余活性约60%，明显优于原始菌株。连续传代5代后酶活稳定维持在1861.38 U/g左右，表明突变株遗传性状稳定。研究证实ARTP诱变能有效提升该菌的木聚糖酶产量与热稳定性，M2103在高温弱酸工业条件下具备良好的应用潜力，可为低聚木糖生产和燃料乙醇工艺提供候选生物催化剂。
创新点
首次将ARTP诱变应用于Myceliophthora thermophila的耐热木聚糖酶育种；系统研究了ARTP对菌株抗氧化酶系统（SOD、CAT、POD、PPO、AOC）的影响；获得的突变株M2103最适反应温度提高15°C，且在酸性pH范围活性显著提高。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Myceliophthora thermophila CICC 2441 | 木聚糖降解通路 | — | 木聚糖酶（xylanase, EC 3.2.1.8） | 催化 | 目标酶，水解β-1,4-糖苷键产生低聚木糖和木糖 |
| Myceliophthora thermophila CICC 2441 | 抗氧化防御系统 | — | 超氧化物歧化酶（SOD） | 催化 | ARTP诱变300 s时活性提高221.13% |
| Myceliophthora thermophila CICC 2441 | 抗氧化防御系统 | — | 过氧化氢酶（CAT） | 催化 | 清除H2O2，活性随诱变时间波动 |
| Myceliophthora thermophila CICC 2441 | 抗氧化防御系统 | — | 过氧化物酶（POD） | 催化 | 消耗H2O2催化底物分解 |
| Myceliophthora thermophila CICC 2441 | 抗氧化防御系统 | — | 多酚氧化酶（PPO） | 催化 | ARTP诱变300 s时活性提高486.04% |
| Myceliophthora thermophila CICC 2441 | 抗氧化防御系统 | — | 总抗氧化能力（AOC） | 调控 | 反映多种抗氧化物质和酶的综合能力 |
关键发现
- ARTP诱变300 s时，SOD活性提高221.13%，PPO活性提高486.04%；突变株M2103的木聚糖酶活性比原始菌株提高21.71%（从1457.30 U/g提高到1861.38 U/g），最适温度从60°C升至75°C，在70–85°C范围内保持稳定，90°C时残余活性67%；pH
- 0–8.5范围内活性稳定，最适pH
- 5，pH
- 0时残余活性82.63%；经70°C处理20 min后M2103活性几乎不变，而原始菌株降至约90%，90°C处理20 min后M2103残余约60%，原始菌株约35%；经5代传代，M2103木聚糖酶活性稳定在1861.38 U/g左右；200 s诱变时存活率37%，高产木聚糖酶突变率88.0%。
研究结论
ARTP诱变可有效提高Myceliophthora thermophila的木聚糖酶活性和热稳定性，突变株M2103在酸性pH范围和高温下表现优异，可作为生产低聚木糖和燃料乙醇工业的潜在生物催化剂。