饲料用酶ppt课件

1、中国农业科学院饲料研究所杨培龙 姚斌,2009年10月18日,饲料用酶的研究进展,1,饲料用酶制剂,一种新型的饲料添加剂，可提高动物的生产性能、降低饲料成本、减轻环境污染及开发新型的饲料资源。 植酸酶、淀粉酶、木聚糖酶、b-甘露聚糖酶、 b-葡聚糖酶、 a-半乳糖苷酶、脂肪酶、角蛋白酶、葡萄糖氧化酶、霉菌毒素降解酶、溶菌酶等,2,饲料用酶种类,对动物内源酶进行补充的饲料用酶, 如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等 消除饲料中的抗营养因子的饲料用酶, 如b-葡聚糖酶、植酸酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶、b-半乳糖苷酶等 使某些营养物质得到更有效的吸收利用、提高低劣质饲料成份的营养价值的饲料用酶, 如纤维素酶、木

2、质素酶、植酸酶、果胶酶、角蛋白酶等 毒素、有害微生物去除的饲料用酶， 如霉菌毒素降解酶、有机磷农药降解酶、溶菌酶等,3,饲料用酶的意义,1.缓解饲料资源短缺 2015年, 缺口将达0.5亿吨 提高饲料利用率,节约并开发新的资源 2.减轻环境污染 排放量(万吨/年) P: 250 N 500 N、P排放量降低40%以上 3.提供更为安全的动物产品 具有控制、预防动物疾病 减少抗生素、化学添加剂的使用 4.提高养殖业综合经济效益 降低饲料成本; 降低料肉比;提高增重,4,饲 料 用 酶 现 状,九十年代才开始规模应用, 2008年市场值达到3亿美元, 酶制剂中年增长最快的。 以饲料用酶为主体的生物

3、工程产品在饲料中占饲料价值的20%,却决定了80%的饲料质量 目前b-葡聚糖酶、植酸酶、木聚糖酶等多个酶种已得到了一定程度的应用 但与别的饲料添加剂相比, 饲料酶的应用还处于婴儿期, 全球只有不足30%饲料在应用,5,原 因,一、酶的性质不能满足要求 饲料用酶需同时具备以下优良性质: 热稳定性好而同时在常温下又具有高活性 最适pH在酸性同时在整个酸性和中性的pH范围内又能维持较高活性 对动物胃、胰蛋白酶和别的蛋白酶具有较好的抗性等综合性质,6,原 因,二、饲料用酶的生产成本 饲料用酶仅是众多饲料添加剂中的一类,决定了其添加成本必须十分低廉。,7,国内外差距,研究与应用起步较晚，差距较大。除少数

4、产品外, 普遍存在生产技术水平低、品种少、应用技术不完善等问题。国外已有十余种酶制剂实现了产业化, 并在包括中国的市场上销售和应用。 生产成本高。国外80%以上的饲料酶制剂是利用基因工程菌株高效生产, 而我国仅有植酸酶等少数几种是利用基因工程菌株高效生产, 而大部分酶制剂是采用天然和诱变菌株发酵生产, 成本高。,8,国内外差距,酶的有效性差，应用效果不稳定。酶的性质不够理想；非单酶生产，各种酶的相对比例难以控制, 质量标准难以控制, 造成使用时效果不稳定、重复性差。 酶的配套应用技术体系不完善。缺乏针对我国饲料日粮和动物特征的应用技术。,9,研发趋势,注重资源挖掘, 尤其是微生物资源。利用现代

5、分子生物学和生物技术手段, 高通量筛选饲料用酶微生物及相关基因资源, 近来特殊环境微生物成为重点目标。 利用基因工程、代谢工程技术, 构建高效生物反应器技术平台, 使饲料酶的单位产量成百上千倍的提高, 以期规模化廉价生产, 以解决饲料添加剂添加成本空间有限的问题。,10,研发趋势,发酵技术和产品加工平台技术。重点针对几种主要的饲料微生物反应器, 如酵母、曲霉、芽孢杆菌等, 建立高效的高密度发酵方法, 并开发高效稳定的产品加工技术, 提高饲料生物制剂的稳定性、实用性和应用的高效性。 饲料生物制剂的应用效果快速评估系统和配套应用技术体系研究。,11,我们的研发和产业化进展,12,中国农业科学院饲料

6、研究所微生物工程研究室简介,成立于1994年 国内饲料科学研究中第一个分子生物学和基因工程实验室。 研究内容: 饲料和工业用酶及其它生物活性物质的研发 动物胃肠道微生物及基因的分子生态 鱼的分子免疫与基因工程疫苗,13,饲料用酶的研究平台,技术平台的建立 新酶及基因的高通量筛选平台技术 有效的分子改良平台技术 高效表达平台技术 发酵技术和规模化生产技术,14,基因资源,新酶、新基因的高通量筛选,15,特殊环境,冰川土样 雪莲根部土样 地方羊品种瘤胃 草鱼胃肠道 天牛胃肠道 深海鱼胃肠道 棉桨废水 金属矿废水 热泉 火焰山土样,16,17,主要结果,基本建立了从特殊环境中快速筛选新酶编码基因的有

7、效方法体系 构建了一种无需建库和分离微生物而直接从环境基因组中克隆全长基因的方法 研究了10余种特殊环境的微生物多样性 分离到300株以上的产目标酶酶微生物，其中有5个新种，10余个潜在的新种 研究了8种目标酶在多个特殊环境中的基因多样性 克隆到了超过2000个的目标酶基因片段 克隆到了300个以上的全长新基因,18,主要结果,筛选到了大量的性质各异、具有重要应用价值的酶及基因 可加深我们对酶关键性质与结构功能的了解, 指导进一步的分子改良 综合性质极为优良的植酸酶、木聚糖酶、b-甘露聚糖酶等 具有特殊性质的酶: 如低温酶、高温酶、高比活性酶、强酸性酶、强碱性酶、抗蛋白酶降解的酶等,19,雪莲

8、根部土壤低温脂肪酶基因片段进化树图谱,进化树显示为五个独立分开的进化簇，说明冰川土壤中的脂肪酶基因序列呈现出多样性的特点, HSL家族脂肪酶作为参考序列,20,Diversity of BPP gene fragments from grass carp digestive tracts,21,冰川土样中第10族木聚糖酶多样性分析,F134,F211,F207,F234,F179,F77,F121,F20,F100,F119,F10,F96,F45,F109,F219,F58,F83,F210,F89,F128,F140,F31,F239,F8,F67,F50,F19,F197,F153,F5

9、6,F81,F99,F78,F28,F84,F136,F36,F47,F223,F133,F156,F216,F17,F160,F204,F144,F188,F26,F22,F122,F88,F87,F27,F241,F6,F206,F37,F60,F95,F24,F68,F21,F117,0.02,22,结构具有特点的植酸酶基因,类似于操纵子的Erwinia herbicola E3植酸酶基因结构,IMP基因和HAP基因，这两个基因共用一个启动子，IMP基因的终止密码子TAA后，紧接着是HAP基因的起始密码子ATG， 在E. herbicola E5也存在类似的结构 活性研究表明：IMP和H

10、AP都能水解植酸，最适pH都为4.5左右。并且两个酶一起作用时，比两个酶各自单独作用的效果之和更好,23,结构具有特点的植酸酶基因,来源于Pseudomonas fluorescens 206串联的植酸酶结构,phytase1全长1284 bp，编码了427个氨基酸，phytase2全长1287 bp，编码了428个氨基酸 序列之间具有较低的一致性（蛋白序列 52.1%） 两个基因在大肠杆菌中都得到活性表达，最适合pH分别为 5.0 和4.5,24,结构具有特点的植酸酶基因,多个磷代谢相关结构域的N. punctiforme 植酸酶基因,磷酸酶结构域，植酸酶结构域，碱性磷酸酶结构域，和钙离子结

11、合域 完整的蛋白和单独的植酸酶结构域都能有效的水解植酸 完整蛋白的比活性高于单个植酸酶结构域。作用机制还需要进一步的研究。,25,综合性质优良的植酸酶 Y4,26,在低pH值和强胃蛋白酶下高效水解植酸的Y. rohdei 植酸酶(猪专用植酸酶),具备三个必要条件 在强酸性条件下有高活性 强酸稳定性 高浓度胃蛋白酶抗性 该酶同样具有高比活，高的表达量 是猪用植酸酶最好的候选者,27,最适pH比较,28,pH稳定性比较,29,胃蛋白酶抗性比较(标准方法),30,具有低温活性的E. carotovora植酸酶,具有低温酶典型特性 低温时高的活性 差的热稳定性 在零度时具有5%的活性 最适活性温度，与

12、动物体温相近 首次报道的低温植酸酶 是研究植酸酶结构的优良材料,31,来源于藻类的中性植酸酶,最适钙离子浓度1.5 mM 最适pH 6.5 最适温度50C 具有典型BPP植酸酶的特性 钙离子对该植酸酶的热稳定性和酶活性是必须的,32,瘤胃中性植酸酶CP53,首次从宏基因组中通过改进的TAIL的方法克隆到一致性低的新基因 与报道的CP基因有不同的pH特性（6.5 VS 4.5）, 增加了对的CP植酸酶认识 在中性条件下具有高活性为CP植酸酶的应用研究提供更多的拓展空间,33,Pedobacter nyackensis 中性植酸酶,在pH7.0、20 时，r-PhyMJ11水解豆粕的能力是A.ni

13、ger和E.coli植酸酶水解能力的10倍以上以上,34,综合性质优良的木聚糖酶,35,抗多种蛋白酶的木聚糖酶,36,高温强酸性木聚糖酶,Optimum temperature at 93C and high stability at 90C,Optimum pH 4.0 with high activity at acidic condition,37,多个pH峰的木聚糖酶和葡聚糖酶,Glucanase,Xylanase,38,对多种底物有高活性的-glucanase Bg1,39,抗多种蛋白酶的Lipase lipS221,40,低温磷脂酶LIPA,41,pH5.0的高温淀粉酶,42,嗜酸

14、性淀粉酶 AMY2,43,具有高角蛋白降解活性的蛋白酶,44,对多种底物有高活性的 a -galactosidase AGL1,45,抗多种蛋白酶的a-galactosidase AGL5,46,高效a半乳糖苷酶(豆粕降解),I-1: 加a-半乳糖苷酶 I-2: 同时加a-半乳糖苷酶和胰蛋白酶,47,-Galactosidase with high efficiency to release galactose from soybean W/O trypsin,48,高比活b-mannanase,49,具有强嗜酸性的甘露聚糖酶,50,抗金属离子的甘露聚糖酶MAN5A,51,在SGF下有高活性的

15、乳糖酶,与来源于A.oryzae的乳糖酶比较,52,对饲料有害真菌有抗菌活性的b-1,3-葡聚糖酶,53,酶的分子改良,分子改良技术 DNA改组 定点突变 基因杂合 全新设计 突变酶筛选技术,54,主要结果,已取得了一些进展，但还未建立完整高效的技术体系 在突变酶表达筛选系统上有所突破 有成功的例子 多种具有特点的酶蛋白在进行晶体结构解析,55,突变酶表达筛选系统-木聚糖酶-突变酶胞外表达系统,前期研究发现, 在大肠杆菌中 木聚糖酶高表达, 大量分泌至胞外 C端可自动断裂 解决的问题: 不/低表达的酶-活性表达/高表达 细胞周质-胞外 融合酶会自动断裂成单酶,56,植酸酶Y3的pH改良,57,

16、植酸酶Y5的突变体,58,木聚糖酶的热稳定性改良,After treated at 70 for 20 min, XS and TS showed better thermastability than XYNB, TS showed 12.4 times of enzyme activity than XYNB.,59,木聚糖酶的比活性改良,60,达到领先水平的表达技术,进行了大量的有关毕赤酵母重组生物反应器的研究,建立了有效的高效表达方法体系,61,高效表达技术,综合以下手段 目标基因的优化：密码子、二级结构、自由能等 启动子改良、多启动子组合 信号肽改良 分子伴侣 解决溶氧的血红蛋白 能

17、稳定遗传和表达的多拷贝技术 整合位点的控制,62,高效表达：高效生物反应器,构建了特有的稳定、高效的毕赤酵母表达系统，其特点和优势在于： 单位表达量更高。尤其对以往在原始毕赤酵母中表达量较低的外源基因可大副度提高其表达量 多种蛋白表达量达到了5mg/mL以上, 最高的达到12mg/mL 表达的稳定性更好，并在8年来的实际生产上得到证明,63,多种植酸酶、木聚糖酶、蛋白酶、淀粉酶表达量均达到5mg/mL以上,64,木聚糖酶发酵水平不断提高 1500 5000 15000 40000 100000 170000 IU/mL 植酸酶发酵水平不断提高800 5000 1000020000 30000

18、45000IU/mL,甘露聚糖酶: 8000IU/mL乳糖酶: 12000IU/mL葡聚糖酶: 35000IU/mL葡萄糖氧化酶: 500IU/mL,65,别的表达系统已初步建立,芽孢杆菌表达系统 乳酸菌表达系统 曲霉表达系统 木霉表达系统 转基因植物,66,高比活木聚糖酶在烟草中的表达,xynB基因整合入转基因烟草的基因组中。,转基因烟草中xynB基因正确转录,木聚糖酶蛋白在转基因烟草中高效表达,67,转基因烟草重组酶的稳定性分析,25,37,55 ,60 ,转基因烟草中表达的木聚糖酶在室温和37 保持稳定性,转基因烟草表达木聚糖酶具有一定程度的热稳定性,转基因烟草T1代植株具有木聚糖酶的活性，具有遗传稳定性,68,高比活性木聚糖酶XYNB在转基因马铃薯中的表达,xynB基因整合入转基因马铃薯的基因组中,转基因马铃薯中的xynB基因可以正确转录,木聚糖酶在转基因马铃薯中高效组成型表达,繁殖3-4代，转基因马铃薯的酶活性不变，具有遗传稳定性,转基因马铃薯中表达的木聚糖酶具有热