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来源于异形曲霉的葡萄糖氧化酶催化活性和热稳定性改良

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生物工程学报 2024年

作者：余尚霖周乔张宏海柏映国罗会颖杨小军姚斌西北农林科技大学动物科技学院中国农业科学院北京畜牧兽医研究所

葡萄糖氧化酶(glucose oxidase， GOD，EC.1.***.3.4)是一种耗氧脱氢酶，可催化葡萄糖产生葡萄糖酸和过氧化氢，特殊的作用机制使其具有良好应用前景。但天然GOD催化活力低、热稳定性差成为制约其工业化生产应用的主要因素。本研究以目前... 详细信息

葡萄糖氧化酶(glucose oxidase， GOD，EC.1.***.3.4)是一种耗氧脱氢酶，可催化葡萄糖产生葡萄糖酸和过氧化氢，特殊的作用机制使其具有良好应用前景。但天然GOD催化活力低、热稳定性差成为制约其工业化生产应用的主要因素。本研究以目前报道的热稳定性好的葡萄糖氧化酶AtGOD为源序列，通过进化分析，以期获得性能优良的GOD。从中筛选并成功合成了6个基因进行功能验证，其中，异形曲霉(Aspergillus heteromorphus)的葡萄糖氧化酶AhGODB在毕赤酵母中表达后表现出较好的热稳定性和催化活性。其最适温度为40 ℃，比活力为112.2 U/mg，70 ℃处理5 min后的剩余酶活为47%。为进一步提高其活性和热稳定性，利用定向进化结合理性设计的方法获得多个突变体。其中，突变体T72R/A153P最适温度由野生型酶的40 ℃提高到50 ℃，比活力由112.2 U/mg提高到166.1 U/mg，70 ℃处理30 min后的剩余酶活由野生型酶的完全失活提高到33%。综上所述，本研究获得的葡萄糖氧化酶突变体在催化活性和热稳定性上有所提升，具有一定的应用潜力。

关键词：葡萄糖氧化酶定向进化理性设计催化活性热稳定性

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提高丝状真菌精准基因编辑效率的策略

微生物学通报 2024年第5期51卷 1425-1440页

作者：杨浩萌梁丽存宋祖洹徐欣欣罗会颖姚斌黄火清中国农业科学院北京畜牧兽医研究所北京100193

基因编辑技术的应用使对丝状真菌进行高效、精准的基因改造成为可能。然而,在实际实验操作过程中,仍然存在很多影响因素,导致同源重组介导的精准基因编辑的效率很低。本文对目前提高丝状真菌精准编辑效率的方法进行了总结,使基因编辑方... 详细信息

基因编辑技术的应用使对丝状真菌进行高效、精准的基因改造成为可能。然而,在实际实验操作过程中,仍然存在很多影响因素,导致同源重组介导的精准基因编辑的效率很低。本文对目前提高丝状真菌精准编辑效率的方法进行了总结,使基因编辑方法更好地应用于丝状真菌的菌种改造。

关键词： CRISPR/Cas 精准编辑同源重组非同源末端连接

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饲料霉菌毒素的生物降解研究进展

动物营养学报 2022年第10期34卷 6152-6159页

作者：王晓璐罗会颖姚斌中国农业科学院北京畜牧兽医研究所动物营养学国家重点实验室北京100193

霉菌毒素是由真菌合成的具有高毒性的次级代谢产物,广泛存在于饲料和饲料原料中。霉菌毒素在给畜牧业造成巨大经济损失的同时,其在畜产品中的残留也严重威胁着人体的健康。传统的物理法和化学法是利用吸附剂、射线照射或化学反应来吸附... 详细信息

霉菌毒素是由真菌合成的具有高毒性的次级代谢产物,广泛存在于饲料和饲料原料中。霉菌毒素在给畜牧业造成巨大经济损失的同时,其在畜产品中的残留也严重威胁着人体的健康。传统的物理法和化学法是利用吸附剂、射线照射或化学反应来吸附或破坏毒素的分子结构,实现对霉菌毒素的脱毒。但该类技术存在去除率低以及可能会造成辐射污染和饲料中的营养成分流失等缺陷。而且,化学物质残留还会影响饲料品质。生物降解方法因绿色、高效等优势逐渐成为霉菌毒素脱毒研究中的重要方向。本文总结了污染饲料的霉菌毒素种类,并综述了近年来国内外霉菌毒素的生物降解研究进展,可为饲料霉菌毒素的生物脱毒技术研究和应用提供参考。

关键词：饲料霉菌毒素生物降解

基于结构基础的嗜热细菌Caldicellulosiruptor bescii木聚糖酶CbXyn10C的热稳定性分子改良

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微生物学通报 2023年

作者：张经纬刘晓青田健罗会颖姚斌涂涛中国农业科学院生物技术研究所中国农业科学院北京畜牧兽医研究所畜禽营养与饲养全国重点实验室

【背景】作为降解木聚糖的核心酶种，木聚糖酶可以有效促进木质纤维素的消化水解，在动物养殖领域广泛应用。来源于嗜热细菌Caldicellulosiruptor bescii的GH10家族木聚糖酶CbXyn10C最适温度为85 ℃，在80 ℃条件下具有良好的热稳定性... 详细信息

【背景】作为降解木聚糖的核心酶种，木聚糖酶可以有效促进木质纤维素的消化水解，在动物养殖领域广泛应用。来源于嗜热细菌Caldicellulosiruptor bescii的GH10家族木聚糖酶CbXyn10C最适温度为85 ℃，在80 ℃条件下具有良好的热稳定性，具有饲料工业应用潜力。【目的】为满足饲料制粒尤其是水产饲料加工过程的工艺要求，进一步提高木聚糖酶CbXyn10C的热稳定性并阐明其耐热机理。【方法】以CbXyn10C晶体结构为基础，采用刚性氨基酸引入、疏水作用网络重排2种策略对其热稳定性进行理性设计，获得在100 ℃条件下比活提高的单点突变体后，随后通过有益突变位点叠加策略进一步提升酶的热稳定性。最后采用分子动力学模拟技术分析其热稳定性提高的分子机制。【结果】共获得了4个稳定性提高的单点突变体A45P、T69P、F309V和A325P，其中突变体A45P效果最优。随着在A45P基础上另外3个突变位点的叠加，酶的热稳定性在不损失酶活的前提下得到了逐步提升。获得的四点突变体A45P/F309V/A325P/T69P的耐热性最好，其最适反应温度和熔解温度Tm值较野生型分别提高了5 ℃和6.8 ℃。分子动力学模拟技术分析发现4个位点的突变引入了新的氢键作用力且优化了疏水作用网络，进而导致酶的结构构象更加稳定。【结论】本研究不仅提高了木聚糖酶在饲料工业中的应用价值，而且对基于酶蛋白结构的稳定性分子改造提供了理论支持。

关键词：木聚糖酶晶体结构热稳定性理性设计

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蛋白质工程在饲料用酶研发中的应用研究进展

合成生物学 2022年第3期3卷 487-499页

作者：涂涛罗会颖姚斌动物营养学国家重点实验室中国农业科学院北京畜牧兽医研究所北京100193

饲料用酶制剂作为饲料添加剂领域最为热门的研究热点之一,以其无残留、无污染、无耐药性等强势优势被广泛推广和应用,极大促进了饲料行业的健康发展。其中,饲料用酶的催化性能是决定其应用功效的核心因素,如何提高饲料用酶的综合性能是... 详细信息

饲料用酶制剂作为饲料添加剂领域最为热门的研究热点之一,以其无残留、无污染、无耐药性等强势优势被广泛推广和应用,极大促进了饲料行业的健康发展。其中,饲料用酶的催化性能是决定其应用功效的核心因素,如何提高饲料用酶的综合性能是饲料用酶制剂研发过程中面临的关键科学问题之一。本文从饲料用酶的实际应用需求出发,聚焦饲料用酶的热稳定性、pH依赖性、蛋白酶抗性和催化活性等4个方面,综述了计算机辅助的蛋白质理性设计技术在饲料用酶制剂研发中的应用研究进展,介绍了用于提升饲料用酶催化性能的有效分子设计策略。通过蛋白质工程技术在关键饲料用酶制剂研发中的应用案例介绍,展示了基于结构基础的酶分子设计技术在饲料用酶制剂研发中的应用前景。与此同时,作为一种应用导向极强的饲料添加剂,利用合成生物学的思想从酶蛋白全局角度出发综合提升饲料用酶催化性能的发展方向,将推动饲料用酶制剂环境适应性分子设计的研发迈向新的台阶。

关键词：饲料用酶蛋白质工程分子设计热稳定性 pH依赖性蛋白酶抗性催化活性

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呕吐毒素生物降解机制研究进展

饲料工业 2023年第9期44卷 1-7页

作者：罗会颖张宏海姚斌中国农业科学院北京畜牧兽医研究所北京100193

呕吐毒素(DON)是全球农业领域最为关注的食源性真菌毒素之一,主要由镰刀菌产生。谷物类农产品一旦被污染,很难通过普通工艺将其消除。生物降解法消除农产品及其加工制品中的呕吐毒素是近年来的备受学者关注。一批新颖的降解菌、降解酶... 详细信息

呕吐毒素(DON)是全球农业领域最为关注的食源性真菌毒素之一,主要由镰刀菌产生。谷物类农产品一旦被污染,很难通过普通工艺将其消除。生物降解法消除农产品及其加工制品中的呕吐毒素是近年来的备受学者关注。一批新颖的降解菌、降解酶和降解机制被先后发现,为DON生物降解和防治技术的开发提供了新的切入点。文章根据DON不同的生物降解机制,梳理了近十年的相关研究进展,以便更好地了解呕吐毒素生物降解研究现状、存在的问题以及发展趋势。

关键词：呕吐毒素脱氧雪腐镰刀菌烯醇真菌毒素生物降解降解机制

基于结构基础的嗜热细菌贝斯其热解纤维素菌木聚糖酶Cb Xyn10C的热稳定性分子改良

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微生物学通报 2023年第12期50卷 5261-5274页

作者：张经纬刘晓青田健罗会颖姚斌涂涛中国农业科学院北京畜牧兽医研究所畜禽营养与饲养全国重点实验室北京100193 中国农业科学院生物技术研究所北京100081

【背景】作为降解木聚糖的核心酶种,木聚糖酶可以有效促进木质纤维素的消化水解,在动物养殖领域应用广泛。来源于嗜热细菌贝斯其热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor bescii)的GH10家族木聚糖酶Cb Xyn10C最适温度为85℃,在80℃条件下具... 详细信息

【背景】作为降解木聚糖的核心酶种,木聚糖酶可以有效促进木质纤维素的消化水解,在动物养殖领域应用广泛。来源于嗜热细菌贝斯其热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor bescii)的GH10家族木聚糖酶Cb Xyn10C最适温度为85℃,在80℃条件下具有良好的热稳定性,具有饲料工业应用潜力。【目的】为满足饲料制粒尤其是水产饲料加工过程的工艺要求,进一步提高木聚糖酶Cb Xyn10C的热稳定性并阐明其耐热机理。【方法】以Cb Xyn10C晶体结构为基础,采用刚性氨基酸引入、疏水作用网络重排2种策略对其热稳定性进行理性设计,获得在100℃条件下比活提高的单点突变体后,通过有益突变位点叠加策略进一步提升酶的热稳定性,最后采用分子动力学模拟技术分析其热稳定性提高的分子机制。【结果】共获得了4个稳定性提高的单点突变体A45P、T69P、F309V和A325P,其中突变体A45P效果最优。随着在A45P基础上另外3个突变位点的叠加,酶的热稳定性在不损失酶活的前提下得到了逐步提升。获得的四点突变体A45P/F309V/A325P/T69P的耐热性最好,其最适反应温度和熔解温度Tm值较野生型分别提高了5℃和6.8℃。分子动力学模拟技术分析发现4个位点的突变引入了新的氢键作用力且优化了疏水作用网络,进而导致酶的结构构象更加稳定。【结论】本研究不仅提高了木聚糖酶在饲料工业中的应用价值,而且对基于酶蛋白结构的稳定性分子改造提供了理论支持。

关键词：木聚糖酶晶体结构热稳定性理性设计

MECE:基于深度神经网络及进化分析提高糖苷水解酶的催化效率

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Science Bulletin 2023年第22期68卷 2793-2805,M0006页

作者：刘汗青关菲菲刘拓宇杨丽鑫范灵熙刘晓青罗会颖伍宁丰姚斌田健黄火清 Institute of Animal Science Chinese Academy of Agricultural SciencesBeijing 100193China Biotechnology Research Institute Chinese Academy of Agricultural SciencesBeijing 100081China

糖苷水解酶(glycoside hydrolases,GHs)在各个行业广泛应用,其需求量不断增加.然而,如何提高酶的催化效率仍然是一个挑战.本文开发了基于深度神经网络和分子进化的策略(MECE)预测提高糖苷水解酶催化活性的突变体.作者首先从CAZy数据库... 详细信息

糖苷水解酶(glycoside hydrolases,GHs)在各个行业广泛应用,其需求量不断增加.然而,如何提高酶的催化效率仍然是一个挑战.本文开发了基于深度神经网络和分子进化的策略(MECE)预测提高糖苷水解酶催化活性的突变体.作者首先从CAZy数据库中收集整理了119个糖苷水解酶家族的蛋白序列,建立了能够识别糖苷水解酶家族和功能残基的深度学习模型DeepGH,通过10倍交叉验证结果显示DeepGH模型的预测准确率为96.73%.随后利用梯度加权类激活图谱(Grad-CAM)方法提取分类相关特征,结合序列进化信息对突变体进行设计最后获得了具有7个氨基酸突变位点的壳聚糖酶突变体CHIS1754-MUT7.实验结果表明,CHIS1754-MUT7的k_(cat)/K_m是野生型的23.53倍.该策略计算效率高,实验成本低,具有显著的优势,为酶催化效率的智能设计提供了一种新的途径,具有广泛的应用前景.

关键词： MECE Deep learning Catalytic efficiency Glycoside hydrolases Feature extraction

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保障国家粮食安全的蛋白替代战略构想

中国工程科学 2023年第4期25卷 149-157页

作者：浦华杨静王永伟涂涛李燕松罗会颖姚斌中国农业科学院北京畜牧兽医研究所北京100193 农业农村部农业贸易促进中心北京100125 国家粮食和物资储备局科学研究院北京100037 全国畜牧总站北京100125

粮食安全的突出矛盾表现在饲料粮方面,蛋白饲料资源的有效供给是满足居民对畜禽产品消费需求的关键。本文着眼“保障粮食安全、实现蛋白稳定供给”的宏观需求,梳理了我国蛋白饲料资源的利用现状,凝练了蛋白饲料供给面临的主要问题;在测... 详细信息

粮食安全的突出矛盾表现在饲料粮方面,蛋白饲料资源的有效供给是满足居民对畜禽产品消费需求的关键。本文着眼“保障粮食安全、实现蛋白稳定供给”的宏观需求,梳理了我国蛋白饲料资源的利用现状,凝练了蛋白饲料供给面临的主要问题;在测算国内蛋白饲料资源、辨识国际市场蛋白供求潜力的基础上,分析了我国蛋白饲料的替代潜力:通过油料作物扩种增收、新型饲料资源开发利用、传统蛋白饲料资源高效利用、饲草料种植结构调整优化、畜禽蛋白转化效率提升,到2035年可较2020年减少大豆进口量约5.88×107 t。研究提出,以挖潜拓源、科技支撑、适度进口为基本策略,实施替代豆粕资源的农作物和牧草增产、非常规蛋白饲料资源提质增效、新型蛋白饲料资源开发利用等重大工程,辅以加大财政支持、积极利用国际市场等策略,促进豆粕替代行动的顺利实施,确保实现国家粮食安全。

关键词：粮食安全蛋白饲料资源蛋白替代豆粕