高产β-胡萝卜素酿酒酵母菌株的设计与构建

酿酒酵母是一种重要的食品安全的工业微生物宿主。如何精确地控制代谢路径中相关基因的表达强度,是在酿酒酵母体内合成β-胡萝卜素的关键因素。通过在Delta位点整合红发夫酵母来源的β-胡萝卜素合成基因(crt E、crt I、crt YB),构建β-胡萝卜素生产菌库。从中挑选28株颜色较黄的菌株,通过96孔细胞培养板及摇瓶发酵,发现这些菌株β-胡萝卜素产量存在显著差异(产量从5.70mg/L到61.88mg/L动态分布)。然后以其中β-胡萝卜素产量最高的菌为出发菌(Sy BE_Sc118012),在敲除该菌株内源基因ypl062w的同时,在此位点过表达t HMG1和BTS1-ERG20融合蛋白以增加前体供应,最终使β-胡萝卜素的产量提高1.65倍,达到162.1mg/L,是目前已知的摇瓶水平最高发酵产量。因此,通过Delta位点整合和增加前体供应结合的策略来强化酿酒酵母中的异源表达具有重要的指导意义。     

代谢工程改造酿酒酵母生产β-胡萝卜素

β-胡萝卜素在食品、药品和化妆品领域有广泛用途。为获得生产β-胡萝卜素的微生物细胞工厂,本研究首先在酿酒酵母BY4742中过表达甲羟戊酸(MVA)途径的限速酶3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGR)基因及二萜化合物合成的关键酶牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶(GGPS)基因,来提高牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸(GGPP)的供给。在酿酒酵母底盘菌BY4742-T2的基础上整合来源于成团泛菌和红法夫酵母的β-胡萝卜素合成基因,比较酿酒酵母工程菌生产β-胡萝卜素的差别。结果表明提高酿酒酵母中HMGR和GGPS酶基因的表达能将工程菌中β-胡萝卜素的产量提高26.0倍。另外,来源于真核生物红法夫酵母的合成基因相比成团泛菌,更有利于酿酒酵母生产β-胡萝卜素。最终获得的酿酒酵母工程菌BW02能生产1.56 mg/g细胞干重的β-胡萝卜素,为进一步获得高产β-胡萝卜素细胞工厂提供基础。     

酿酒酵母中高效积累β-胡萝卜素的代谢途径构建

β-胡萝卜素是一种橘黄色的脂溶性色素，属于类胡萝卜素家族，基于其丰富的生物学活性，在食品、医药、化妆品等领域具有广泛的应用。国内外对β-胡萝卜素市场需求量巨大，特别是天然来源的β-胡萝卜素具有广阔的市场前景，建立适合天然β-胡萝卜素生产的微生物细胞工厂显得尤为重要。本研究利用基因工程手段克隆了β-胡萝卜素生物合成途径中的三个基因，分别是来源于酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的香叶基香叶基焦磷酸合成酶基因(ScBTS1)、红法夫酵母(Xanthophyllomyces dendrorhous)的八氢番茄红素脱氢酶基因(XdCrtI)以及同时具有八氢番茄红素合成酶和番茄红素环化酶的双功能酶基因(XdCrtYB),构建组成型表达载体pYES2-Kan-CrtI-CrtYB-BTS1,并转化至酿酒酵母MKP-o中，最终筛选获得能够生产β-胡萝卜素的酿酒酵母基因工程菌株。结果显示，此工程菌摇瓶产量达到14.53 mg/g细胞干重(DCW)且发酵周期短，不仅可以稳定高效地积累β-胡萝卜素，同时发酵过程中无需添加诱导剂，有利于节约生产成本。因此，可以将其作为一株具有较高β...     

引入新型异戊二烯醇利用途径促进解脂耶氏酵母中β-胡萝卜素的合成*

目的:微生物体内异戊二烯类化合物的前体物异戊烯焦磷酸酯的天然合成路径受到严格的代谢调控,因此限制了异戊二烯类化合物的高效生物合成,而新型异戊二烯醇利用途径独立于生物体内源性代谢路径,通过在微生物中引入IUP能够进行异戊烯焦磷酸酯的大量合成,从而促进异戊二烯类化合物的大量合成。方法:在油脂酵母解脂耶氏酵母中引入IUP,强化异戊烯焦磷酸酯生物合成,促进β-胡萝卜素的高效积累。结果:通过生物信息学的方法预测IUP中两个关键蛋白酿酒酵母来源的胆碱激酶ScCK和拟南芥来源的异戊烯磷酸激酶AtIPK,均为酸性亲水性蛋白,无跨膜区和信号肽,二者都具有疏松不稳定的结构特征,显著富集于磷酸类物质的合成通路中。在解脂耶氏酵母中利用同源重组技术引入外源β-胡萝卜素合成关键基因carRP和carB,强化甲羟戊酸途径的关键基因thmgR和ggs1,使工程菌株中积累2.68 mg/L β-胡萝卜素。通过Cre-loxP系统回收基因组上的ura标签,再将IUP进一步整合到工程菌株染色体上。当培养基中含有20 mM异戊二烯醇作为底物、碳氮比为4/3且发酵96 h后,重组解脂耶氏酵母中β-胡萝卜素的产量提高到410.2 mg/L,较原始工程菌的产量提高了近200倍。结论:IUP能够促进解脂耶氏酵母中β-胡萝卜素的高效积累,为利用IUP开展β-胡萝卜素和其他异戊二烯类化合物的高效生物合成提供新思路。     

产β-胡萝卜素酿酒酵母工程菌的构建

以酿酒酵母SaccharomycescereviaiaeBY4742为宿主菌,利用DNA组装（DNAassemble）技术,向宿主菌导入了β-胡萝卜素合成途径,表达了源自Xanthophyllomycesdendrorhous的CrtE,Cn馏和CrtI3个基因,获得了一株染色体整合型工程菌株HCCB08531,β-胡萝卜素产量达3．68mg／g干重。     

法夫酵母β-胡萝卜素转化酶(Asy)基因的克隆及可溶性表达研究

[目的]从高产虾青素的法夫酵母(Phaffia rhodozyma) 7B12菌株中克隆β-胡萝卜素转化酶基因(β-Carotene converting enzyme gene,asy),并将该基因在大肠杆菌(Escherichia coli)中进行可溶性表达,为深入研究该酶的性质及应用提供基础.[方法]采用cDNA末端快速扩增技术,克隆得到asy基因全长cDNA序列,将其克隆到表达载体pET32a中,通过优化温度和IPTG浓度提高其可溶表达量;进一步在E.coli BL21(DE3)中共表达携带asy基因的重组质粒和pACCAR 16△crtx质粒(携带由乙酰辅酶A合成β-胡萝卜素的基因链),用液相色谱分析共转化菌株中类胡萝卜素种类的变化,鉴定可溶性表达的Asy酶活性.[结果]法夫酵母7B12菌株asy基因的cDNA序列与GenBank能检索到的唯一一条asy基因mRNA序列(Accession No.DQ002007.1)一致性达到97％,该序列总长1 971 bp,最大开放阅读框为1 614 bp,编码538个氨基酸,在E.coli BL21 (DE3)中表达的Asy融合蛋白分子量约为70 kD;条件优化后转化asy基因的重组菌在26℃、0.5 mmol/L IPTG的条件下诱导时,可溶性融合蛋白比例达85％.与pACCAR16△crtx单质粒转化相比,共转化pACCAR 16△crtx及asy基因的菌株类胡萝卜素产物的成分发生了明显的变化,其中α-胡萝卜素的含量明显减少,伴随出现了3种新的色素,根据出峰时间判断其中一种为β-胡萝卜素和虾青素的中间产物——β-隐黄质.[结论]从法夫酵母中克隆得到asy基因,通过优化诱导温度及IPTG浓度等条件提高了该基因在E.coli BL21(DE3)中的可溶性表达量,经鉴定可溶性的Asy融合蛋白具有转化β-胡萝卜素的活性.     

粘性红圆酵母XJU-1产β-胡萝卜素的研究

目的:从粘性红圆酵母Rhodotorula mucilaginosaXJU-1中提取β-胡萝卜素并对其特性加以研究。方法:采用酸热法对发酵产物破壁,用丙酮∶石油醚(1∶1)萃取β-胡萝卜素,采用GB/T 5009.83-2003的HPLC方法测定β-胡萝卜素含量,以448nm波长的紫外分光光度吸收值计算出色素损失率来探讨β-胡萝卜素的稳定性。结果:该菌株在液体发酵培养基中生长72hβ-胡萝卜素含量高达389.2μg/g干重,经实验确定,葡萄糖是最有利于β-胡萝卜素生成的碳源;蛋白胨是生产β-胡萝卜素的最佳氮源。提取的β-胡萝卜素耐热性较好,需置于暗处保存。结论:该菌种β-胡萝卜素产率明显高于国内外已报道的,有很好的开发前景。     

耐高温酿酒酵母的构建与高温耐受机制解析

旨在构建优良的高温耐受酿酒酵母菌株，并探究其高温耐受机制。通过CRISPR/Cas9技术在絮凝性工业酿酒酵母KF-7中敲除ASP3(编码L-天冬酰胺酶II)并进一步高表达CRZ1(编码具有锌指结构的转录因子Crz1p)，通过比较转录组解析重组菌株的高温耐受机制。结果显示，在44℃高温条件下，ASP3敲除菌株KAS11利用98.36 g/L葡萄糖产生43.68 g/L乙醇。在KAS11基础上高表达CRZ1后，菌株KASCR7发酵105.37 g/L葡萄糖产48.02 g/L乙醇。与KF-7相比，两个重组菌株的乙醇产量分别提升了4.77%和15.18%。比较转录组分析结果表明，在高温胁迫下，重组菌株的核糖体生物合成及翻译相关基因受到抑制，而热休克蛋白基因以及NAD⁺、NADH、嘌呤、甘油、脯氨酸等合成相关基因受到诱导，这些响应可能共同导致重组菌株的高温耐受性提升。研究结果可为构建高温耐受酿酒酵母菌株提供优良菌株资源和理论基础。     

共表达透明颤菌血红蛋白对毕赤酵母产β-甘露聚糖酶发酵过程的影响

为了改善高密度发酵生产β-甘露聚糖酶过程中的溶氧限制,提高β-甘露聚糖酶产量,将VHb和β-甘露聚糖酶基因置于AOX1启动子调控之下,进行VHb和β-甘露聚糖酶基因在毕赤酵母中的共表达。经密码子优化合成VHb基因,插入表达载体p PICZαA,整合到β-甘露聚糖酶工程菌中,通过G418和Zeocin抗性筛选共表达VHb基因的重组酵母工程菌。在30 L发酵罐水平上分析共表达VHb菌株(VHb+)与初始菌株(VHb-)对β-甘露聚糖酶表达的差异。结果显示,限氧条件下,VHb+菌株的β-甘露聚糖酶的表达量比对照菌株VH b-高90%,且透明颤菌血红蛋白提高了甲醇耐受性,缩短发酵周期约40 h。     

通过番茄红素环化酶的优化构建β-胡萝卜素高产菌株

目标产物的合成途径往往需要对关键酶的来源、表达水平等因素进行系统性优化才能实现代谢通量的最大化。β-胡萝卜素是一类具有重要应用价值的萜类化合物,其中番茄红素环化酶(Lycopene cyclase,CrtY)是β-胡萝卜素合成途径中的关键酶,能够催化FAD依赖的环化反应将番茄红素转化合成β-胡萝卜素。本研究通过对CrtY的系统优化提高β-胡萝卜素的合成水平,并确定CrtY的表达对代谢通路的影响。在大肠杆菌中以番茄红素合成模块为基础,通过引入番茄红素环化酶基因crt Y构建了β-胡萝卜素合成模块。并进一步利用寡聚接头介导的DNA组装方法 (Oligo-linker mediated assembly method,OLMA)引入一系列不同强度的人工设计的核糖体结合位点(Ribosome-binding site,RBS),对CrtY的表达强度、基因来源等因素进行高通量的优化。通过OLMA文库构建和平板筛选,获得了5株高产β-胡萝卜素的工程菌株。在摇瓶中,5株工程菌株的β-胡萝卜素产量可达15.79-18.90 mg/g DCW(Dry cell weight),比优化前提高了65%。进一步选取了其中的CP12菌株,在5 L发酵罐上,利用高密度培养技术验证工程菌株合成β-胡萝卜素的能力。最终β-胡萝卜素产量可达1.9 g/L。RBS强度分析及代谢中间体分析表明,适当地降低CrtY表达强度能够有利于β-胡萝卜素模块相关基因之间协同发挥作用。以上结果为β-胡萝卜素合成途径的优化规律提供了理论指导。     

硫色曲霉β-甘露聚糖酶在毕赤酵母中的组成型分泌表达

目的：构建硫色曲霉β-甘露聚糖酶的毕赤酵母组成型分泌表达菌株,研究重组菌株的产酶水平。方法：EcoR I／Xba I双酶切质粒pPIC-mann-opt,琼脂糖凝胶电泳、回收目的基因片段后,与组成型毕赤酵母表达载体pGAPzαA连接,转化大肠杆菌,经筛选获得含有pGAP-mann-opt的重组克隆;提取pGAP-mann-opt,用限制性内切酶BspH I线性化后,转化毕赤酵母X-33感受态细胞,进行Zeocin抗性筛选和PCR鉴定。结果：获得了重组菌株,重组菌株在YPD培养基中摇瓶发酵24h,上清液酶活达到343U／mL,产酶蛋白约为1.0mg／mL。结论：构建的硫色曲霉β-甘露聚糖酶组成型表达菌株具有较好的应用前景。     

细胞膜合成途径模块化调控与形态改造提高大肠杆菌β-胡萝卜素的积累与产量

β-胡萝卜素是类胡萝卜素家族中的典型代表,属于疏水性较强的化合物,前期研究表明,改变细胞膜形态以及增加3-磷酸甘油二酯的供给,均可容纳更多的β-胡萝卜素,从而提高其产量。然而在之前的研究中,没有对细胞膜的磷脂中主要组分磷脂酰乙醇胺的合成途径对β-胡萝卜素积累的影响进行系统的讨论。本研究将磷脂酰乙醇胺的合成途径分为上中下游3个模块,对它们的多种表达组合策略进行比较。首先过表达了上游模块1,菌株CAR016的β-胡萝卜素的产量与单位细胞的β-胡萝卜素产量均有显著提高,分别可达到44 mg/L以及13.7 mg/g DCW。与对照菌株相比,分别提高30.5%与35.6%。过表达磷脂酰乙醇胺合成的中游模块,β-胡萝卜素的产量以及单位细胞的β-胡萝卜素的产量分别为103.5 mg/L DCW与19.8 mg/g DCW。与对照菌株CAR016(pACYC184-M)相比,分别提高1.4倍与53.5%。将上游模块1与中游模块2共表达,菌株CAR016(pModule1,pModule2)单位细胞的β-胡萝卜素产量为22.3 mg/g DCW。与CAR016(pModule2)相比,单位细胞产量提高18%,与出发菌株CAR016(pTrc99A-M,pACYC184-M)相比,单位细胞的β-胡萝卜素产量提高122%。本研究找到了磷脂酰乙醇胺合成途径表达的最优组合策略,可以产生更大量的细胞膜,为储存β-胡萝卜素提供了更多的空间,从而进一步提高β-胡萝卜素的产量。细胞膜形态和合成途径的模块化改造,是今后提高类胡萝卜素产量的新方向。     

代谢工程改造甘油代谢途径提高β-胡萝卜素产量

甘油是生物柴油的副产物,因其价格低廉和高还原性,成为生物发酵的重要碳源。为了进一步提高工程菌对甘油的利用能力,从而提高萜类化合物的合成能力,本研究从β-胡萝卜素高产菌CAR015出发,对其甘油代谢途径的多个基因进行了调控。首先敲除了编码3-磷酸甘油抑制子的glp R基因,然后分别用M1-37、M1-46和M1-93三个不同强度的人工调控元件对glp FK、glp D和tpi A三组基因进行单基因调控和多基因组合调控。研究发现用M1-46调控glp D基因后β-胡萝卜素产量达到了64.82 mg/L,是CAR015的4.86倍,甘油消耗速率也提高了100%;调控tpi A基因后β-胡萝卜素产量略有提高;调控glp FK基因后β-胡萝卜素产量略有降低。说明Glp D是甘油代谢途径中的关键限速步骤。Q-PCR结果表明,降低甘油代谢途径的glp D和glp FK基因转录水平,增加tpi A基因转录水平,可以增加细胞生长速度、提高β-胡萝卜素产量,可能是因为减少了丙酮醛毒性所致。组合调控glp D和tpi A基因,获得β-胡萝卜素产量最高菌株Gly003,其β-胡萝卜素产量达72.45 mg/L、产率达18.65 mg/g每克干细胞,分别是出发菌株CAR015的5.23倍和1.99倍。总之,Glp D是甘油代谢途径中的关键限速步骤,适当强度调控glp D,可以有效提高重组大肠杆菌的β-胡萝卜素产量。     

扣囊复膜孢酵母BGLl基因在工业酒精酵母中的整合表达

构建了含有工业酿酒酵母自身GPD2启动子和终止子、扣囊复膜孢酵母β-葡萄糖苷酶基因（BGL1）和潮霉素选择性标记hyg的重组质粒pPIC-gpd-bgl-hyg,通过酵母染色体同源重组,将BGLl基因整合进入工业酒精酵母的染色体上。重组酵母可以在以纤维二糖为唯一碳源的培养基上生长,48h时β-葡萄糖苷酶酶活达到0.764U／mL。在玉米浓醪酒精发酵实验中,与宿主菌株相比,重组酵母醪液中纤维二糖含量减少约80％,达到了消耗醪液中纤维二糖含量的目的。     

表面展示表达植酸酶的重组酿酒酵母构建及酒精发酵

以淀粉为原料的同步糖化发酵是目前乙醇生产的主要途径之一。然而原料中含有的植酸不仅影响酒精发酵效率,而且也会导致环境中难以被植物吸收的磷含量的增加,加剧环境污染。将来源于大肠杆菌的植酸酶基因与酵母编码α-凝集素C端编码序列连接并置于α-因子分泌信号肽下游,构建植酸酶表面展示表达重组载体pMGK-AG-phy并转化工业酿酒酵母,成功获得了在细胞表面锚定表达植酸酶的重组菌PHY。重组酵母的植酸酶表达水平达到6.4 U/g(菌体湿重),其最适温度为55℃,最适pH 4.0,在pH 3.5–4.5范围内具有较高的活性。以玉米粉为原料的同步糖化发酵实验表明,重组酵母PHY的生长速度高于出发菌株,同时酒精产量相较于出发菌株提高了3.7%。更为重要的是发酵后酒糟中植酸磷含量与对照相比降低了91%。构建的表面展示表达植酸酶的重组工业酿酒酵母能够有效降低植酸含量,提高了酒糟的利用价值,减少磷排放,对燃料酒精的环境友好生产具有重要的借鉴意义。     

一种新型酿酒酵母附加型分泌表达载体的构建

用化学法合成克鲁维酵母的菊粉酶基因的信号肽序列(INU),将其嵌入酵母附加型表达质粒pYES2,得到一套新型的分泌表达载体pYES2I,pYES2Ⅱ,pYES2Ⅲ。然后用PCR方法分别扩增大肠杆菌的天冬酰胺酶基因(ASN)和短芽孢杆菌α乙酰乳酸脱羧酶(ALDC)基因,连接到INU下游,得到重组质粒pASN和pALDC。分别将这两个重组质粒转化酿酒酵母菌株INVScⅠ中表达,胞内和胞外的酶活分析表明ASN和ALDC基因都能在酿酒酵母中分泌表达,表明菊粉酶信号肽序列能很好地将酿酒酵母中的重组蛋白分泌到胞外。稳定性分析表明,重组酵母菌株在没有选择压力的条件下连续接种培养100h,未发现重组质粒的不稳定性。     

代谢工程改造酿酒酵母合成肌醇

【目的】肌醇别名环己六醇,是一种具有生物活性的糖醇,在医药、食品和饲料等领域具有重要的应用价值。为获得生产肌醇的微生物细胞工厂,通过代谢工程改造,构建生产肌醇的酿酒酵母工程菌株。【方法】对酿酒酵母肌醇合成途径的正负调控同时改造,过表达肌醇-3-磷酸合成酶基因ino1,敲除肌醇生物合成的转录抑制子基因opi1和抗性基因kan MX,获得重组菌。利用气相色谱法检测重组菌发酵液中肌醇含量。【结果】构建了生物安全性的产肌醇基因工程菌株,摇瓶培养产量为1.021 g/L。【结论】通过过表达ino1和敲除opi1来改造酿酒酵母,能够有效提高重组菌的肌醇产量,为下一步的微生物发酵法产肌醇的工业应用奠定基础。     

基于重组毕赤酵母的斑点叉尾鮰β-防御素表达

β-防御素是斑点叉尾鮰Ietalurus punetaus抵御病原微生物侵染的首要蛋白质免疫因子,其一级结构包含氨基端24个氨基酸组成的信号肽和羧基端43个氨基酸组成的成熟肽,该成熟肽赋予β-防御素的生物学活性。文中首次构建了产斑点叉尾鮰β-防御素的毕赤酵母Pichiapastoris重组菌株,实现了基于真核表达的斑点叉尾鮰β-防御素的生物合成。首先通过RT-PCR从斑点叉尾鮰皮肤中分离β-防御素成熟肽基因"IPBD",将其与表达载体p PICZαA连接并转入毕赤酵母X-33后,获得重组毕赤酵母菌株;经含1 000μg/m L博来霉素的培养基筛选,获得高拷贝重组菌株。以BMM培养基(无氨基氮源培养基)替代BMMY培养基(含氨基氮源培养基),对重组菌株的发酵培养条件进行优化,确定其产斑点叉尾鮰β-防御素的最适条件为:28℃、250 r/min、1.0%甲醇诱导表达96 h。重组菌株产物经镍离子亲和层析获得分子量为5.98k Da的纯化蛋白,基于MALDI-TOF-TOF的质谱分析证明该纯化蛋白为重组IPBD。抑菌活性测定结果表明重组IPBD对革兰氏阳性的金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus、单增李斯特菌Listeria monocytogenes以及革兰氏阴性的铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa的抑菌率分别为69.6%、71.6%和65.8%。本研究为鱼类来源天然小分子抗菌肽的开发提供了可参考的重组DNA技术。