توصيفگر ها :
پروتئاز , جهشزايي شيميايي , اتيديوم برومايد , پايداري آنزيم , توالي يابي ژن , PCR , Bacillus halotolerans
چكيده فارسي :
چكيده
پروتئازها بهعنوان يكي از مهمترين گروههاي آنزيمي صنعتي، سهمي حدود 60 درصد از بازار جهاني آنزيمها را به خود اختصاص دادهاند. قابليت هيدروليز پيوندهاي پپتيدي، كاربردهاي گستردهاي را در صنايعي همچون شوينده، داروسازي، غذايي، چرمسازي و نساجي براي اين آنزيمها به ارمغان آورده است. با اين وجود، پايداري ناكافي بسياري از پروتئازهاي طبيعي در شرايط سخت فرآيندي نظير دماهاي بالا، سطوح نامطلوب pH و حضور تركيبات شيميايي، چالشي عمده در بهرهبرداري صنعتي از آنها محسوب ميشود. هدف از اين مطالعه، بهبود ويژگيهاي عملكردي و پايداري پروتئاز از طريق جهشزايي شيميايي در سويهي باكتريايي مولد بود. در اين پژوهش، سويهي باكتريايي منتخب از جنس Bacillus halotolerans به عنوان سويهي والد در محيط كشت LB مايع كشت داده شد و به منظور القاي جهش، در معرض غلظت 100 ميكروگرم بر ميليليتر از اتيديوم برومايد (EtBr) به مدت 120 دقيقه قرار گرفت. پس از تيمار جهشزا، كلونيهاي حاصل بر روي محيط اسكيمميلك آگار كشت داده شدند و غربالگري اوليه بر اساس شاخص نسبت قطر هالهي هيدروليز به قطر كلوني (H/C) انجام پذيرفت. بر اين اساس، 46 كلوني برتر كه داراي بيشترين فعاليت پروتئازي بودند، انتخاب و در سه گروه A) بالاترين قطر هاله(، B )مقدار متوسط (و T) كمترين قطر هاله( دستهبندي شدند. سنجش كمي فعاليت آنزيمي با استفاده از روش استاندارد هيدروليز كازئين و اندازهگيري جذب نوري در طول موج 660 نانومتر انجام شد. بر اساس نتايج هفت كلوني برتر شامل A1، A4،A13،T1،A14،A20،T26،T19 شناسايي شد كه فعاليت پروتئازي آنها بين 2 تا 3 برابر بيش از سويهي والد بود. ارزيابي پايداري آنزيمي در شرايط سخت )دماي 95 درجه سانتيگراد و 8/5 (pH=نشان داد كه آنزيم توليدشده توسط كلونيA4 با دارا بودن فعاليت U/g 83422، پايداري حرارتي و قليايي بسيار بالاتري را در مقايسه با آنزيم سويهي والد U/g) 33733 (نشان ميدهد. به منظور شناسايي تغييرات مولكولي، DNA ژنومي كلونيهاي منتخب استخراج و ژن كدكنندهي پروتئاز (aprE) با استفاده از تكنيك واكنش زنجيرهاي پليمراز (PCR) تكثير گرديد. محصولات PCR پس از خالصسازي، توالييابي شدند. مقايسهي تواليهاي بهدستآمده با توالي مرجع، وقوع جهشهاي نقطهاي منجر به تغييرات آمينواسيدي را تأييد نمود. در كلونيA4، جايگزيني سيستئين با سرين در موقعيت 168 و جايگزيني آرژنين با ليزين در موقعيت 324 مشاهده شد. همچنين، در كلونيهايA20 و T19، تغييرات مشابه و اضافي از جمله جايگزيني سرين با سيستئين و هيستيدين با سرين شناسايي گرديد. به نظر ميرسد اين تغييرات آمينواسيدي، بهويژه جايگزينيهاي مرتبط با سيستئين، از طريق تأثير بر تشكيل پيوندهاي ديسولفيدي، نقش مستقيمي در افزايش پايداري ساختاري آنزيم در برابر حرارت ايفا كردهاند. به طور كلي، يافتههاي اين تحقيق مؤيد آن است كه جهشزايي شيميايي با اتيديوم برومايد، روشي كارآمد و مقرونبهصرفه براي ايجاد تنوع ژنتيكي و بهبود عملكرد پروتئازهاي باكتريايي است. نتايج اين مطالعه ميتواند در توسعهي سويههاي صنعتي مقاوم و توليد پروتئازهاي پايدار با كارايي بالا در شرايط سخت فرآيندي مورد بهرهبرداري قرار گيرد.
چكيده انگليسي :
Abstract:
Proteases, as one of the most important groups of industrial enzymes, account for about 60% of the global enzyme market. Their ability to hydrolyze peptide bonds has enabled wide applications in detergent, pharmaceutical, food, leather, and textile industries. However, the limited stability of many natural proteases under harsh processing conditions such as high temperatures, extreme pH values, and the presence of chemical agents remains a major challenge for their industrial utilization. This study aimed to improve the functional properties and stability of a bacterial protease through chemical mutagenesis of the producing strain. In this research, Bacillus halotolerans was used as the parental strain and cultivated in liquid LB medium. To induce mutations, cells were treated with 100 µg/mL ethidium bromide (EtBr) for 120 minutes. After mutagenic treatment, the resulting colonies were cultured on skim milk agar, and preliminary screening was performed based on the ratio of hydrolysis halo diameter to colony diameter (H/C index). Forty-six colonies showing the highest proteolytic activity were selected and grouped into three categories: A (largest halo), B (moderate), and T (smallest). Quantitative enzyme assays were performed using the standard casein hydrolysis method, and absorbance was measured at 660 nm. Seven mutant colonies (A1, A4, A13, T1, A14, A20, T26, and T19) exhibited protease activity 2–3 times higher than that of the parent strain. Enzyme stability tests under harsh conditions (95 °C and pH 8.5) revealed that the protease from colony A4, with an activity of 83,422 U/g, showed significantly greater thermal and alkaline stability than the parental enzyme (33,733 U/g). To identify molecular alterations, genomic DNA of selected colonies was extracted, and the protease-encoding gene (aprE) was amplified by PCR and sequenced using the Sanger method. Sequence comparison confirmed point mutations leading to amino acid substitutions. In colony A4, cysteine was replaced by serine at position 168 (C168S) and arginine by lysine at position 324 (R324K). Additional substitutions, such as S142C and H349S, were identified in colonies T19 and A20. These amino acid changes, particularly those involving cysteine, appear to enhance structural stability via disulfide bond formation, thereby improving enzyme thermostability. Overall, the findings indicate that chemical mutagenesis using ethidium bromide is an effective and economical approach to generate genetic diversity and enhance the performance of bacterial proteases. The results provide valuable insights for developing robust industrial strains and producing stable, high-performance proteases for harsh processing environments.