谷氨酸棒杆菌代谢芳烃过程中β-酮己二酸途径中原儿茶酸支路的分子基础

虽然在格蓝氏阴性菌中酮己二酸途径的原儿茶酸支路研究较多,但在格蓝氏阳性菌中的研究很少。本实验中,利用原儿茶酸、对甲酚和4-羟基苯甲酸作为惟一碳源和能源培养谷氨酸棒杆菌,酶活测定表明有原儿茶酸3,4-双加氧酶存在。对基因组数据分析表明在ncg12314-ncg12315位点可能编码原儿茶酸3,4-双加氧酶,ncg12314/ncg12315分别是两个连续的阅读框,采用PCR方法克隆了这两个基因,并在大肠杆菌中表达,测得原儿茶酸3,4－双加氧酶活性,进一步把这两个基因从谷氨酸棒杆菌中敲除,突变株失去了利用原儿茶酸、对甲酚和4-羟基苯甲酸的能力,同时,原儿茶酸3,4-双加氧酶活性消失。原儿茶酸3,4-双加氧酶由α-和β-两个亚基组成,基因同源性比较表明ncg12314/ncg12315分别与α-和β-两个亚基的编码基因同源。这些结果清楚地证明了ncg12314/ncg12315编码原儿茶酸3,4-双加氧酶的两个亚基。通过对谷氨酸棒杆菌基因组分析,发现了参与该芳烃代谢途径的其他基因。本项研究对揭示微生物尤其是格蓝氏阳性菌中芳烃代谢的遗传多样性,提供了新的依据。     

嗜盐古菌Haloferax volcanii WFD11中龙胆酸1,2-双加氧酶HagA的研究

【目的】研究嗜盐古菌Haloferax volcanii WFD11菌株以不同芳香酸作为碳源的生长情况;鉴定其通过龙胆酸途径代谢芳香酸过程中的开环酶龙胆酸1,2-双加氧酶的基因,并对其进行生化水平的研究;初步揭示古菌和细菌代谢芳香酸的可能差异。【方法】分别以4 mmol/L的6种不同芳香酸为唯一碳源培养菌株WFD11,利用全自动生长曲线分析仪测定菌株生长情况并绘制生长曲线;利用高效液相色谱检测菌株WFD11代谢3-羟基苯甲酸的中间产物;对菌株WFD11的基因组进行生物信息学分析,寻找潜在的龙胆酸1,2-双加氧酶编码基因,并在Haloferax volcanii H1424中异源表达;通过快速纯化系统(采用Ni2+-NTA亲和层析柱)纯化异源表达的蛋白,以龙胆酸为底物通过紫外分光光度计检测粗酶液和纯化后的龙胆酸1,2-双加氧酶和相关酶学特性;通过实时定量PCR观察hag A的表达类型。【结果】菌株WFD11能以4 mmol/L的3-羟基苯甲酸和3-羟基苯丙酸为唯一碳源和能源生长;高效液相色谱检测证明菌株WFD11通过龙胆酸代谢3-羟基苯甲酸(3HBA);克隆和异源表达了龙胆酸1,2-双加氧酶基因hag A;Hag A粗酶液和纯化蛋白均具龙胆酸1,2-双加氧酶的活性,催化龙胆酸开环生成顺丁二酸单酰丙酮酸;Hag A的龙胆酸1,2-双加氧酶比活力为0.024 8 U/mg,且其活性不依赖于Fe2+;荧光定量PCR实验结果证明hag A是组成型表达。【结论】嗜盐古菌H.volcanii WFD11可能是通过龙胆酸途径代谢芳香酸类物质,为进一步研究古菌和细菌代谢芳香酸的可能差异打下了基础。     

Burkholderia sp.NCIMB 10467菌株中原儿茶酸3, 4-双加氧酶基因的分子克隆和生化特性研究

NCIMB 10467是一株木质素降解菌,根据其16S rDNA序列将其重新分类为Burkholderia菌属.研究显示,在NCIMB 10467菌株中,不同的底物可以诱导该菌株对于原儿茶酸的多种代谢形式.根据克隆到的一段原儿茶酸邻位开环酶,即原儿茶酸3,4-双加氧酶(P34D;EC 1.13.11.3)α-亚基的保守序列,通过染色体步移的方法,得到一段9505bp的DNA片段.序列分析显示,在这段9.5 kb的DNA片段中,两个可能的开放阅读框pcaG和pcaH分别编码P34D的α-亚基和β-亚基.将pcaGH克隆并在大肠杆菌中进行表达后,可以检测到P34D的活性.而pcaH在NCIMB 10467菌株中的敲除则使该菌完全丧失了代谢原儿茶酸的能力.由此证实,克隆到的pcaGH基因确实编码原儿茶酸3,4-双加氧酶,并且对于NCIMB 10467菌株对原儿茶酸的代谢是必需的.     

恶臭假单胞菌ND6菌株catA基因的克隆和表达及其儿茶酚裂解途径探讨

恶臭假单胞菌ND6菌株的萘降解质粒pND6-1中编码儿茶酚1,2-双加氧酶的catA基因在大肠杆菌中进行了克隆和表达,并研究表达产物的酶学性质。结果表明:酶的Km为0.019μmol/L,Vmax为1.434μmol/(min.mg);具有很好的耐热性,在50℃保温45min后仍能够保留酶活力的93.7%;Fe2 对酶活性有显著的促进作用,其比活力是对照反应的292%;酶对4-氯儿茶酚的催化活性非常低,属于Ⅰ型儿茶酚1,2-双加氧酶。以萘为底物生长时,ND6菌株的细胞提取液中既存在催化邻位裂解途径的儿茶酚1,2-双加氧酶活性,也存在催化间位裂解途径的儿茶酚2,3-双加氧酶活性。以苯甲酸、对羟基苯甲酸和苯乙酸为唯一碳源生长时,ND6菌株细胞提取液的儿茶酚1,2-双加氧酶活性远远大于儿茶酚2,3-双加氧酶活性。表明ND6菌株既能通过儿茶酚间位裂解途径降解萘,也能通过儿茶酚邻位裂解途径降解萘,而以苯甲酸、对羟基苯甲酸和苯乙酸为诱导物时只利用儿茶酚邻位裂解途径。     

三氯卡班降解菌株Sphingomonas sp. YL-JM2C中多个邻苯二酚双加氧酶的功能

【目的】研究Sphingomonas sp.YL-JM2C菌株的生长特性,确定以三氯卡班作为碳源的生长情况。挖掘菌株YL-JM2C潜在的邻苯二酚1,2-双加氧酶及邻苯二酚2,3-双加氧酶基因,在大肠杆菌(Escherichia coli)中异源表达邻苯二酚双加氧酶基因并研究其酶学性质。【方法】优化S.sp.YL-JM2C菌株以三氯卡班作为碳源时的培养条件,并利用全自动生长曲线测定仪测定菌株生长情况,绘制生长曲线。通过生物信息学方法挖掘潜在的邻苯二酚双加氧酶基因,并分别在Escherichia coli BL21(DE3)中进行异源表达,通过AKTA快速纯化系统纯化蛋白,分别以邻苯二酚、3-和4-氯邻苯二酚为底物检测重组蛋白的酶学特性。【结果】菌株在pH为7.0-7.5时生长最优。在以浓度为4-8 mg/L的三氯卡班做为底物时,菌株适宜生长。当R2A培养基仅含有0.01%酵母提取物和无机盐时,加入终浓度为4 mg/L的三氯卡班可促进菌株生长。挖掘到6个潜在的邻苯二酚双加氧酶基因stcA1、stcA2、stcA3、stcE1、stcE2和stcE3,表达并通过粗酶液分析证明其中5个基因stcA1、stcA2、stcA3、stcE1和stcE2编码的酶均具有邻苯二酚双加氧酶和氯邻苯二酚双加氧酶的活性;纯化酶的底物范围研究揭示了StcA1、StcA2和StcA3均属于Ⅱ型邻苯二酚1,2-双加氧酶,StcE1和StcE2为两个新型邻苯二酚2,3-双加氧酶;它们酶动力学分析研究证明了5个酶对邻苯二酚的亲和力和催化效率最高,4-氯邻苯二酚次之。【结论】在同一菌株中发现了5个具有功能的邻苯二酚双加氧酶基因,stcA1、stcA2和stcA3编码的酶均属于Ⅱ型邻苯二酚1,2-双加氧酶,stcE1和stcE2为两个新型邻苯二酚2,3-双加氧酶编码基因。5个酶均具有催化邻苯二酚和氯邻苯二酚开环反应的功能,这为更好地理解微生物基因组内代谢邻苯二酚及其衍生物氯代邻苯二酚基因的多样性奠定了基础。     

木糖异构酶基因xylA表达载体构建

以大肠埃希菌MG1655的基因组为模板,通过PCR扩增获得木糖异构酶基因xylA。利用敲除编码对基因转录起负调控作用的lacIq基因的大肠埃希菌/谷氨酸棒杆菌穿梭质粒pEC-XK99E,酶连后转化大肠埃希菌BL21和谷氨酸棒杆菌ATCC 13032。成功构建出了具有大肠埃希菌BL21表达活性的木糖异构酶表达载体pEC(lacI-)-xylA。     

嗜吡啶红球菌R04的联苯降解途径的研究

通过GC-MS测定出嗜吡啶红球菌R04菌降解联苯的中间代谢物2,3-二氢二羟基联苯、2,3-二羟基联苯和苯甲酸,并测定了该菌的2,3-二羟基联苯双加氧酶、2-羟基-6-酮基-6-苯基-2,3-己二烯酸(HOPDA)水解酶和苯甲酸双加氧酶活性。最终确定了R04菌降解联苯的途径为2,3-二羟基联苯双加氧酶途径。     

原儿茶酸的生物转化

【背景】原儿茶酸(Protocatechuic acid,PCA)是一些植物的主要活性成分,可作为许多聚合物和药物的前体物质,目前PCA的主要来源是利用化学法从植物中提取,然而该法提取率低且对环境造成一定程度的破坏。【目的】克隆对羟基苯甲酸-3-羟化酶基因ρ-HBA-3H并进行异源表达,利用该酶催化实现原儿茶酸的生物转化。【方法】以红球菌R04基因组DNA为模板,PCR扩增得到对羟基苯甲酸-3-羟化酶基因ρ-HBA-3H,构建重组基因工程菌BL21(DE3)/pET21a(+)-ρ-HBA-3H,诱导表达对羟基苯甲酸-3-羟化酶,在底物对羟基苯甲酸(ρ-Hydroxybenzoicacid,ρ-HBA)存在下进行PCA的生物转化,并对生物转化的条件进行优化。【结果】对羟基苯甲酸-3-羟化酶基因在大肠杆菌中实现了高效表达。通过生物转化PCA产量可达1.156 g/L。优化实验表明Mg2+、Triton X-100对转化效率无影响,增加反应体系的溶氧量及添加适量的吐温-80能够促进转化反应的进行。细胞连续转化基础上适量补充葡萄糖可以有效增加工程菌的转化效率,减少PCA的消耗。【结论】通过生物酶催化法实现了PCA的高效率、绿色生产,为其他重要发酵产品的工业化生产提供理论研究基础。     

恶臭假单胞菌ND6菌株catA基因的克隆和表达及其儿茶酚裂解途径探讨

恶臭假单胞菌ND6菌株的萘降解质粒pND6-1中编码儿茶酚1,2-双加氧酶的catA基因在大肠杆菌中进行了克隆和表达,并研究表达产物的酶学性质。结果表明:酶的K_m为0.019μmol/L,V_max为1.434μmol/(min.mg);具有很好的耐热性,在50℃保温45min后仍能够保留酶活力的93.7%;Fe²⁺对酶活性有显著的促进作用,其比活力是对照反应的292%;酶对4-氯儿茶酚的催化活性非常低,属于Ⅰ型儿茶酚1,2-双加氧酶。以萘为底物生长时,ND6菌株的细胞提取液中既存在催化邻位裂解途径的儿茶酚1,2-双加氧酶活性,也存在催化间位裂解途径的儿茶酚2,3-双加氧酶活性。以苯甲酸、对羟基苯甲酸和苯乙酸为唯一碳源生长时,ND6菌株细胞提取液的儿茶酚1,2-双加氧酶活性远远大于儿茶酚2,3-双加氧酶活性。表明ND6菌株既能通过儿茶酚间位裂解途径降解萘,也能通过儿茶酚邻位裂解途径降解萘,而以苯甲酸、对羟基苯甲酸和苯乙酸为诱导物时只利用儿茶酚邻位裂解途径。     

以葡萄糖为底物一步法合成γ-氨基丁酸整合型重组钝齿棒杆菌的构建

[目的]为了构建一株直接利用廉价的葡萄糖合成γ-氨基丁酸的重组钝齿棒杆菌,将来自于植物乳杆菌γ-氨基丁酸合成途径的关键酶谷氨酸脱羧酶基因(lpgad)在产谷氨酸菌株钝齿棒杆菌中进行整合表达,实现葡萄糖到GABA的一步法生产.[方法]运用PCR技术扩增得到带有tac启动子的谷氨酸脱羧酶基因tacgad.通过重叠PCR的方法获得钝齿棒杆菌精氨酸合成途径关键酶N-乙酰谷氨酸激酶(NAGK)基因内部缺失型基因△argB.利用自杀载体pK18mobsacB构建同源整合载体pK18-△argB::tacgad,以△argB的上下游序列为同源臂,通过两次同源重组将tacgad基因整合到钝齿棒杆菌基因组,同时将NAGK基因argB灭活,利用蔗糖致死基因sacB反向筛选标记筛选得到谷氨酸脱羧酶的重组钝齿棒杆菌C.crenatum △argB::tacgad.重组钝齿棒杆菌以葡萄糖为底物进行发酵,测定GABA含量.[结果]重组菌C.crenatum △argB::tacgad成功表达谷氨酸脱羧酶,同时阻断了精氨酸合成途径对谷氨酸到GABA代谢途径的竞争,粗酶液基本检测不到NAGK活性,发酵液无精氨酸合成.通过96 h发酵,重组菌可积累约8.28 g/L的GABA.[结论]本研究通过将谷氨酸脱羧酶基因定向整合到钝齿棒杆菌精氨酸合成途径的关键酶基因argB内部,成功表达谷氨酸脱羧酶的同时阻断竞争途径精氨酸的合成.本研究为实现直接利用葡萄糖合成GABA的一步法生产奠定了基础.     

基因工程菌Pseudomonas sp.B4的构建及其产邻苯二酚发酵条件的初步研究

利用PCR技术以Pseudomonas sp. B3-1基因组DNA为模板,扩增出2.9kb编码苯甲酸双加氧酶基因簇benABC。将该基因簇连接于pLAFRJ载体,电转化至E．coli DH5α,再通过三亲本结合法导入野生菌株Pseudomonas sp. B3-1中,得到了一株邻苯二酚产量提高的基因工程菌,命名为Pseudomonas sp.B4。发酵条件优化表明,当苯甲酸钠浓度为6.0 g/L,聚蛋白胨浓度为2.0 g/L,温度为32℃以及pH值为6.0时,工程菌在200rpm旋转摇床发酵36小时后,邻苯二酚产量达到0.7 mg/ml,比优化前提高了20％。     

赖氨酸-尸胺反向转运蛋白cadB基因谷氨酸棒杆菌表达载体的构建及转化

旨在提高谷氨酸棒杆菌合成尸胺的能力,将CadB克隆至谷氨酸棒杆菌中,与LDC共表达,在谷氨酸棒杆菌合成尸胺的同时,帮助尸胺转运至细胞外,解除尸胺的反馈抑制作用。谷氨酸棒杆菌能够高产赖氨酸脱羧酶的底物L-赖氨酸,但不含ldc和cadB基因,因而不能够直接合成尸胺。从E.coliK12中克隆出赖氨酸-尸胺反向转运蛋白基因,与绿色荧光蛋白基因gfp融合构建成融合表达载体pXBG,并转化至谷氨酸棒杆菌进行诱导表达,结果表明表达的CadB蛋白可以正确的定位于谷氨酸棒杆菌的细胞膜上。将基因cadB连接到含有赖氨酸脱羧酶基因的pXMJ19-ldc上,构建成能够共表达赖氨酸脱羧酶和赖氨酸-尸胺反向转运蛋白的重组质粒pXLB,并转化到谷氨酸棒杆菌中。     

Pseudonomas sp.W2双酚A代谢途径的研究

利用气相色谱质谱联用技术(GC-MS)、液相色谱紫外检测技术(LC-UV)和基因比对分析对Pseudonomassp.W 2菌株双酚A(Bpa)代谢途径进行了初步研究,发现对羟基苯甲醛、对羟基苯甲酸、对羟基苯乙酮,为中间代谢产物;并发现该菌株具有原儿茶酸双加氧酶基因(pcaG)。     

Burkholderia sp. NCIMB 10467菌株中原儿茶酸3, 4-双加氧酶基因的分子克隆和生化特性研究（英文稿）

NCIMB 10467是一株木质素降解菌, 根据其16S rDNA序列将其重新分类为Burkholderia菌属。研究显示, 在NCIMB 10467菌株中, 不同的底物可以诱导该菌株对于原儿茶酸的多种代谢形式。根据克隆到的一段原儿茶酸邻位开环酶, 即原儿茶酸3, 4-双加氧酶(P34D; EC 1.13.11.3) a-亚基的保守序列, 通过染色体步移的方法, 得到一段9505 bp的DNA片段。序列分析显示, 在这段9.5 kb的DNA片段中, 两个可能的开放阅读框pcaG 和 pcaH分别编码P34D的a-亚基和b-亚基。将pcaGH克隆并在大肠杆菌中进行表达后, 可以检测到P34D的活性。而pcaH在NCIMB 10467菌株中的敲除则使该菌完全丧失了代谢原儿茶酸的能力。由此证实, 克隆到的pcaGH基因确实编码原儿茶酸3, 4-双加氧酶, 并且对于NCIMB 10467菌株对原儿茶酸的代谢是必需的。     

Burkholderia sp. NCIMB 10467菌株中原儿茶酸3, 4-双加氧酶基因的分子克隆和生化特性研究

NCIMB 10467是一株木质素降解菌, 根据其16S rDNA序列将其重新分类为Burkholderia菌属。研究显示, 在NCIMB 10467菌株中, 不同的底物可以诱导该菌株对于原儿茶酸的多种代谢形式。根据克隆到的一段原儿茶酸邻位开环酶, 即原儿茶酸3, 4-双加氧酶(P34D; EC 1.13.11.3) a-亚基的保守序列, 通过染色体步移的方法, 得到一段9505 bp的DNA片段。序列分析显示, 在这段9.5 kb的DNA片段中, 两个可能的开放阅读框pcaG 和 pcaH分别编码P34D的a-亚基和b-亚基。将pcaGH克隆并在大肠杆菌中进行表达后, 可以检测到P34D的活性。而pcaH在NCIMB 10467菌株中的敲除则使该菌完全丧失了代谢原儿茶酸的能力。由此证实, 克隆到的pcaGH基因确实编码原儿茶酸3, 4-双加氧酶, 并且对于NCIMB 10467菌株对原儿茶酸的代谢是必需的。     

谷氨酸棒杆菌一步法发酵糖质原料生产γ-聚谷氨酸

γ-聚谷氨酸在食品、化妆品、生物医药等领域具有广泛的应用,目前主要的生产菌株是谷氨酸依赖型菌株,在生产过程中需要添加谷氨酸作为前体,因而生产γ-聚谷氨酸的成本较高。文中主要研究从糖质原料一步法发酵合成γ-聚谷氨酸的生产工艺。首先,从产γ-聚谷氨酸的菌株枯草芽孢杆菌中克隆γ-聚谷氨酸合成酶的基因簇pgs BCA,在谷氨酸棒杆菌模式菌株ATCC13032中进行诱导型和组成型表达,结果显示,仅诱导型表达菌株可以积累γ-聚谷氨酸,产量为1.43 g/L。进一步对诱导条件进行优化,确定诱导时间为2 h,IPTG浓度为0.8 mmol/L,γ-聚谷氨酸产量为1.98g/L。在此基础上,在一株高产谷氨酸的谷氨酸棒杆菌F343中外源表达pgs BCA,对重组菌进行发酵,结果表明,在摇瓶发酵中γ-聚谷氨酸产量达到10.23g/L,在5L发酵罐中产量达到20.08g/L;继而对γ-聚谷氨酸进行分子量测定,结果显示,产自F343重组菌的γ-聚谷氨酸的重均分子量比产自枯草芽孢杆菌的提高34.77%。文中构建了一步法发酵糖质原料生产γ-聚谷氨酸的新途径,同时为开发其潜在应用奠定了基础。     

不同来源的谷氨酸棒杆菌氨基脱氧分支酸合成酶的活性分析

分别以高产L-丝氨酸的谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)SYPS-062与模式菌株谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum) ATCC 13032的基因组DNA为模板,运用PCR技术扩增出氨基脱氧分支酸合成酶(ADC synthase)的编码基因pabAB。实验结果表明：来源于SYPS-062和ATCC 13032的pabAB片段全长均为1863bp,编码620个氨基酸。两片段存在16个碱基的差异,引起了7个氨基酸的突变。将pabAB连接表达载体pET-28a(+),构建表达质粒pET-28a-pabAB,并转化E.coli BL21(DE3),在IPTG诱导下,E.coli BL21(DE3)(pET-28a-pabAB)高效表达分子量约为67kDa的可溶性蛋白。表达产物带有His-tag标记,选用Ni柱对表达产物进行纯化,纯化后酶活测定结果表明,来源于SYPS-062氨基脱氧分支酸合成酶的比酶活低于ATCC 13032达46.6%。     

Pseudonomas sp.W2双酚A代谢途径的研究*

利用气相色谱质谱联用技术(GC-MS)、液相色谱紫外检测技术(LC-UV)和基因比对分析对Pseudonomassp.W 2菌株双酚A(Bpa)代谢途径进行了初步研究,发现对羟基苯甲醛、对羟基苯甲酸、对羟基苯乙酮,为中间代谢产物;并发现该菌株具有原儿茶酸双加氧酶基因(pcaG)。     

环羟基化双加氧酶α亚基保守序列的克隆及基因定位

利用PCR法成功地克隆了不动杆菌 (Acinetobacter) L2菌株的环羟基化双加氧酶α亚基保守序列310 bp片段,并对其进行测序.序列分析结果表明该片段与3-苯基丙酸盐双加氧酶α亚基、苯1,2-双加氧酶α亚基、甲苯2,3-双加氧酶α亚基的氨基酸序列同源性分别为72%、75%和78%.Southern杂交将菌株L2的环羟基化双加氧酶α亚基基因定位在L2质粒的不同酶切片段上.     

谷氨酸棒杆菌1dh基因的敲除

谷氨酸棒杆菌中ldh基因编码乳酸脱氢酶,可催化丙酮酸转化生成乳酸.利用重叠延伸PCR的方法,获得中间缺失部分序列的dldh基因片段,将其与载体pk 18mobsacB连接,转化大肠杆菌感受态,筛选出阳性转化子后,转化谷氨酸棒杆菌ATCC 13032感受态细胞.分别在卡那霉素抗性平板及10％蔗糖平板上进行两次筛选,利用PCR方法鉴定,成功获得ldh基因缺失的谷氨酸棒杆菌突变株ATCC 13032-(4)ldh.应用荧光定量PCR检测,ATCC 13032-(z)ldh中的ldh基因在转录水平与野生型菌株ATCC 13032相比,相对表达量为O.ldh基因的敲除对菌株的生长造成了一定的影响.