产1，3-丙二醇重组大肠杆菌JM109（pEtac—dhaB—tac—yqhD）的构建

在生物柴油的生产过程中,最高可得到约10％的副产物甘油,副产物甘油的去向将成为生物柴油大规模产业化发展所面临的严峻问题。以生物柴油副产物甘油为原料耦合生产1,3-丙二醇,不仅解决了生物柴油副产物甘油的出路问题,同时降低了1,3-丙二醇的生产成本。本研究在前期工作的基础上,分别获得了来源于肺炎克雷伯氏茵的甘油脱水酶编码基因dhaB和来源于大肠杆菌的1,3-PD氧化还原酶同工酶编码基因yqhD,利用表达载体pEtac串联构建了重组质粒pEtac—dhaB—tac—yqhD,将其转化大肠杆菌得到产1,3-丙二醇重组大肠杆菌JM109（pEtac—dhaB-tac—yqhD）,降低了代谢中间产物3-羟基丙醛的积累,提高了1,3-丙二醇的产量。     

利用PDOR同工酶基因yqhD对产1,3-丙二醇克雷伯氏杆菌进行基因工程改造

由于Klebsiella pneumoniae 1,3-丙二醇合成途径中,加强甘油脱水酶基因表达,导致因NADH供应不足使3-羟基丙醛累积,并对菌体生长及1,3-丙二醇合成造成负面影响。为改善Klebsiella pneumoniae 1,3-丙二醇合成途径,本文利用PCR技术从大肠杆菌(Escherichia coli)中扩增出以NADPH 为辅酶的1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶编码基因yqhD,从克雷伯氏杆菌中扩增出2.66kb的甘油脱水酶基因（dhaB）,构建了产1,3-丙二醇关键酶基因的串联载体pEtac-dhaB-tac-yqhD,并将其转入到野生克雷伯氏杆菌(Klebsiella pneumoniae)中,重组载体得到了表达。通过初步发酵,重组后的克雷伯氏杆菌产量比原始菌高20%左右,副产物中乙酸和丁二醇分别下降30%左右。     

利用荧光蛋白研究产甘油假丝酵母胞浆3-磷酸甘油脱氢酶基因CgGPD启动子

[目的]克隆产甘油假丝酵母(Candida glycerinogenes)胞浆3-磷酸甘油脱氢酶基因CgGPD的启动子(PCggpd),并通过报告基因gfp的差异表达来研究葡萄糖浓度对PCggpd在酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中的诱导特性.[方法]采用PCR扩增的方法分别从产甘油假丝酵母基因组和pCAMBIA1302载体中克隆出CgGPD的启动序列PCggpd和绿色荧光蛋白基因gfp.将两个基因同时构建到酿酒酵母表达载体pYX212-zeocin中,构建时将绿色荧光蛋白基因gfp置于CgGPD的启动序列下游,获得重组质粒pYX212-zeocin-PCggpd-gfp.通过电击转化酿酒酵母W303-lA.将重组酿酒酵母S.cerevisiae W303-1A-GFP置于不同葡萄糖浓度培养基中进行培养,利用荧光显微技术对其进行荧光检测.[结果]重组酿酒酵母能产生稳定的荧光,当葡萄糖浓度为2%时,重组酿酒酵母在YEPD培养基中产生较弱的荧光,随着葡萄糖浓度的升高,荧光强度有明显的增强.[结论]PCggpd属于环境胁迫诱导型启动子,高浓度的葡萄糖能诱导PCggpd启动绿色荧光蛋白的高水平表达,这对完善产甘油假丝酵母的遗传背景研究,阐明其高产甘油的机理具有重要意义.     

含甘油脱水酶激活因子编码基因的产1,3-丙二醇新型重组菌的构建

利用PCR技术扩增来源于弗氏柠檬杆菌(Citrobacter freundii)的甘油脱水酶编码基因dhaB以及甘油脱水酶激活因子编码基因dhaGdhaF,将其与1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶的编码基因yqhD串联在温控表达载体pHsh上,构建重组菌E.coliJM109(pHsh-dhaB-dhaG-dhaF-yqhD)。SDS-PAGE分析显示,融合表达产物的分子量同核酸序列测定的推导值相符。与未串联甘油脱水酶激活因子编码基因的重组菌E.coliJM109(pHsh-dhaB-yqhD)相比,1,3-丙二醇的产量提高了28%。     

酿酒酵母gpd1和hor2基因在大肠杆菌中的共表达

利用途径工程的方法,在大肠杆菌中构建一条新的产甘油的代谢途径。从酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)克隆3-磷酸甘油脱氢酶基因(gpd1)和3-磷酸甘油酯酶基因(hor2),并将两个基因串连到启动子trc的下游,构建由trc启动子控制的能高效表达的多顺反子重组质粒pSE-gpd1-hor2,将重组质粒导入大肠杆菌BL21菌株中,构建得到的重组菌株GxB-gh能将葡萄糖转化为甘油。结果表明重组菌株GxB-gh以葡萄糖为底物进行发酵,甘油产量为46．67g／L,葡萄糖的转化率为42.87％。这为利用工程菌绿色生产甘油进行了前期的探索,也为进一步构建能生产1,3-丙二醇的工程菌打下了良好的基础。     

产甘油假丝酵母产甘油关键酶基因在酿酒酵母中的表达

甘油是一种极其理想的耐高渗透压介质。利用PCR方法,从产甘油假丝酵母WL2002-5中扩增出了2个产甘油的关键酶基因GPD和GPP,分别编码3-磷酸甘油脱氢酶（glycerol 3-phosphate dehydrogenase, GPD）和3-磷酸甘油磷酸酶（glycerol 3-phosphate phosphatase, GPP）。利用T-Vector在Escherichia coli JM109中克隆得到大量的GPD和GPP基因,并成功构建了重组质粒pYX212-GPD和pYX212-GPP;通过LiAc转化法将重组质粒导入酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae W303-1A。初步实验结果表明：发酵过程中pYX212-GPD/S. cerevisiae W303-1A的生物量高于pYX212-GPP/S. cerevisiae W303-1A和野生型S. cerevisiae W303-1A;发酵72h后,pYX212 GPD/S. cerevisiae W303-1A发酵液中甘油含量大约为12mmol/L,明显高于野生型S. cerevisiae W303-1A的甘油含量,而pYX212-GPP/S. cerevisiae W303-1A与野生型S. cerevisiae W303-1A在甘油含量上相差不大,均只有4mmol/L 左右。     

酿酒酵母中过表达URA5及URA3基因催化合成UMP的初步研究

为提高乳清酸到尿嘧啶核苷酸(UMP)的转化效率,利用PCR方法扩增酿酒酵母乳清酸磷酸核糖转移酶基因URA5, 并将其连接到携带乳清苷酸脱羧酶基因URA3的表达载体pYX212中,构建了重组质粒pYX212-URA5,然后转化到酿酒酵母BJX12中进行表达,并进行转化乳清酸到UMP的初步研究。试验结果表明: pYX212-URA5/ BJX12发酵培养40h后以32 mM乳清酸为底物催化产生UMP的量约为7 mM。明显高于同等条件下pYX212/ BJX12的UMP产量2.7 mM和对照组野生型BJX12的UMP产量2.4 mM。     

腺苷钴胺素合成酶基因cobs的克隆及其在产1,3-丙二醇菌中的应用

甘油脱水酶是催化由甘油到1,3-丙二醇过程中的关键酶,它需要在辅酶B_(12)存在的情况下才能有效的进行催化;而在此催化过程中甘油脱水酶会出现失活现象,研究表明辅酶B_(12)可以有效的促使甘油脱水酶复活。因此,辅酶B_(12)在由甘油生物催化生产1,3-丙二醇过程中起到非常重要的作用。本研究利用PCR扩增技术,从Escherichia K-12菌株中扩增出产VB_(12)关键酶—腺苷钴胺素合成酶基因cobs,其序列与NCBI上已经公布的序列比对,同源性为99.6%,将基因cobs与产1,3-丙二醇关键酶基因dhaB、yqhD在Klebsiella pneumoniae中共表达,发酵结果显示重组菌所需额外添加的VB_(12)由原始菌株的0.01 g/L下降到0.004 g/L。     

弗氏柠檬酸菌dhaT基因的克隆表达、序列分析、酶的纯化及特性研究

1,3-丙二醇（1,3-propanediol,1,3-PD）是一种重要的化工原料,越来越受到广泛的关注。以弗氏柠檬酸菌(Citrobacter freundii)基因组DNA为模板,通过PCR得到1,3-丙二醇氧化还原酶(1,3-propanediol dehydrogenase,PDOR) 的基因dhaT,序列显示与来源于C.freundii DSM 30040 (Genbank U09771)相应基因的相似性为78%。将此基因构建于表达载体pSE380,得到重组质粒pSE-dhaT。重组质粒转化到宿主菌E.coli JM109中进行了表达,重组酶通过镍柱及Sephacral S-300进行纯化,重组酶SDS-PAGE结果显示有非常明显的单一的42kDa特异性蛋白条带出现。以丙醛为底物测定重组酶还原反应的最适温度为37℃、最适pH为8.0,对丙醛的Km值为10.05mmol/L,最大反应速度Vmax为37.27umol/ min /mg;以1,3-PD为底物测定重组酶氧化反应的最适温度为25℃、最适pH为10.5,对1,3-PD的Km值为1.28mmol/L,最大反应速度Vmax为25.55umol/min/mg。重组酶的还原反应比活为49.50U/mg,氧化反应比活为79.72U/mg。该酶同样具有假定的结合Fe2+的G-X-X-H-X-X-A-H-X-X-G-X-X-X-X-X-P-H-G模体保守结构。此研究为工程菌高效生产1,3-PD奠定了基础。     

在Klebsiella pneumoniae醛脱氢酶失活菌中构建NADH再生系统

生物法生产1,3-丙二醇（1,3-Propanediol,1,3-PD）是当前工业生物技术研究的热点之一,生产过程中,需要消耗还原当量NADH,NADH的有效供给决定了1,3-PD的产量和得率。本文采用PCR的方法从Candida boidinii基因组中克隆编码fdh的基因,将该基因片段插入载体pMALTM-p2X,构建表达载体pMALTM -p2X-fdh,并转入醛脱氢酶失活菌Klebsiella pneumoniae DA-1HB,获得重组菌Klebsiella pneumoniae DAF-1。在IPTG浓度0.5 mmol/L时,诱导3 h后甲酸脱氢酶表达明显;发酵过程中甲酸脱氢酶比酶活达到4.82 U/mg;与出发菌株K. pneumoniae DA-1HB相比,重组菌DAF-1合成1,3-丙二醇的浓度提高了19.2%?。     

产1,3-丙二醇新型重组大肠杆菌的构建

利用PCR技术从大肠杆菌(Escherichia coli )中扩增出1.16 kb的编码1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶的基因yqhD,将其连接到表达载体pEtac,得到重组载体pEtac-yqhD,重组载体在大肠杆菌JM109中得到高效表达。SDS_PAGE分析显示融合表达产物的分子量均为43 kD,同核酸序列测定所推导的值相符。对含有yqh-D的基因工程菌进行表达研究表明：37 ℃,以1.0 mmol /L IPTG诱导4 h,1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶的酶活力达到120 u/mg蛋白,而对照菌株的酶活力为0.5 u/mg蛋白。再将含甘油脱水酶基因dhaB和含1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶基因yqhD的重组质粒共转化大肠杆菌JM109得到重组大肠杆菌JM109（pUCtac-dhaB, pEtac-yqhD）,该菌株在好氧条件下,以1.0mmol/L IPTG诱导可将50 g/L甘油转化为38.0 g/L 1,3-丙二醇。首次发现1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶在好氧条件下表现出较高的活性。     

Expression of dha Operon Required for 1,3-PD Formation in Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae

The 1,3-propanediol (1,3-PD) synthesis operon (dha operon) was mainly composed of four genes: dhaB, dhaT, gdrA, and gdrB, which encoded glycerol dehydratase, 1,3-PD oxidoreductase and reactivating factor for glycerol dehydratase, respectively. In the present study, dha operon was cloned from 1,3-PD producing strain Klebsiella pneumoniae. Heterologous expression of cloned dha operon was carried out in Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae W303-1A, respectively. The results indicated that recombinant E. coli harboring the dha operon can produce 8–9 g/l 1,3-PD from glycerol while the 1,3-PD yield of recombinant strain W303-1A-dha could not be detected. In order to complete the 1,3-PD production from glucose, further, we also constructed the recombinant S. cerevisiae W303-1A-BT harboring plasmid pZ-BT. The 1,3-PD production and enzymatic activities of DhaB and DhaT were found in the engineered strain W303-1A-BT. Our results demonstrated that the recombinant S. cerevisiae strain W303-1A-BT that can produce 1,3-PD at low cost was constructed. This study might open a novel way to a safe and cost-efficient method for microbial production of 1,3-PD.     

dhaBCE基因与yqhD基因串联表达载体的构建及其生物转化甘油

将来自于肺炎克雷伯氏杆菌的甘油脱水酶基因插入到质粒pET28(a+) -yqhD的上游,并用SD序列隔开,串联构建重组质粒pET28(a+)dhaBCE-yqhD,转化到大肠杆菌E.coli novablue中进行共表达。结果显示：含有pET28(a+) dhaBCE-yqhD的重组菌在28℃条件下,IPTG诱导16h后,甘油脱水酶和yqhD氧化还原酶的酶活力分别达到35 U/ mg和 82 U/ mg ,而对照组检测不到甘油脱水酶酶活;当甘油浓度为55g/L,产物1,3-PD的产量可达39g/L;甘油浓度过量不利于产物合成,且产物1,3-丙二醇对合成反应具有一定的抑制作用。     

产1,3-丙二醇基因工程菌发酵条件的研究

利用途径工程的方法,将来源于克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)的甘油脱水酶基因dhaB和1,3-丙二醇氧化还原酶基因dhaT构建成多顺反子重组质粒pSE-dhaB-dhaT并在大肠杆菌JM 109中进行表达,在大肠杆菌中构建一条新的产1,3-丙二醇代谢途径。研究表明,重组菌株JM 109/pSE-dhaB-dhaT在微好氧条件下,尝试用廉价的乳糖为诱导物、维生素B12为辅酶,可以将甘油转化为1,3-丙二醇,产量达15.34 g/L,甘油转化率为35.7%,对低成本生产1,3-丙二醇作了有益的探索。     

Construction of a novel recombinant Escherichia coli strain capable of producing 1,3–propanediol and optimization of fermentation parameters by statistical design

Summary The structural gene yqhD from a wild-type Escherichia coli encoding 1,3-propanediol oxidoreductase isoenzyme and the structural gene dhaB from Citrobacter freundii encoding glycerol dehydratase were amplified by using the PCR method. The temperature control expression vector pHsh harboring the yqhD and dhaB genes was transformed into E. coli JM109 to yield the recombinant strain E. coli JM109 (pHsh-dhaB-yqhD). The response surface method (RSM) was then applied to further optimize the fermentation condition of the recombinant strain. A mathematical model was then developed to show the effect of each medium composition and their interactions on the production of 1,3-propanediol by recombinant strain E. coli JM109. The model estimated that a maximal yield of 1,3-propanediol (43.86 g/l) could be obtained when the concentrations of glycerol, yeast extract and vitamin B₁₂ were set at 61.8 g/l, 6.2 g/l and 49 mg/l, respectively; and the fermentation time was 30 h. These predicted values were also verified by validation experiments. Compared with the values obtained by other runs in the experimental design, the optimized medium resulted in a significant increase in the yield of 1,3-propanediol. The yield and productivity under the optimal parameters and process can reach 43.1 g/l and 1.54 g/l/h. Maximum 1,3-propanediol yield of 41.1 g/l was achieved in a 5-l fermenter using the optimized medium. This makes the engineered strain have potential application in the conversion of glycerol to 1,3-propanediol on an industrial scale.