产L-苏氨酸重组大肠杆菌的构建和发酵性能

【背景】大肠杆菌由于生长性能优良、遗传背景清晰,常被用作苏氨酸生产菌。【目的】敲除大肠杆菌Escherichia coli THR苏氨酸合成途径的非必需基因,并异源表达苏氨酸合成必需的关键酶,构建一株苏氨酸高产菌株。【方法】利用FLP/FRT重组酶系统,敲除E. coli THR中lysC、pfkB和sstT,同时进行谷氨酸棒杆菌中lysC~(fbr)、thrE和丙酮丁醇梭菌中gapC的重组质粒构建并转化到宿主菌中。【结果】以E. coli THR为出发菌株,敲除其苏氨酸合成途径中表达天冬氨酸激酶Ⅲ (AKⅢ)的基因lysC、磷酸果糖激酶Ⅱ基因pfkB及苏氨酸吸收蛋白表达基因sstT,使菌株积累苏氨酸的产量达到75.64±0.35g/L,比出发菌株增加9.9%。随后异源表达谷氨酸棒杆菌中解除了反馈抑制的天冬氨酸激酶(lysC~(fbr))、苏氨酸分泌转运蛋白(thrE)及丙酮丁醇梭菌中由gapC编码的NADP+依赖型甘油醛-3-磷酸脱氢酶,获得重组菌株E. coli THR6菌株。该菌株积累苏氨酸的产量提高到105.3±0.5 g/L,糖酸转化率提高了43.20%,单位产酸能力提高到5.76 g/g DCW,最大生物量为18.26 g DCW/L。【结论】单独敲除某个基因或改造某个途径不能使苏氨酸大量合成和积累,对多个代谢途径共同改造是构建苏氨酸工程菌的最有效方法。     

谷氨酸棒杆菌metX、dapA基因敲除对苏氨酸合成的影响

谷氨酸棒杆菌中metX基因编码蛋氨酸合成途径关键酶高丝氨酸乙酰转移酶,dapA基因编码赖氨酸合成途径关键酶二氢吡啶二羧酸合成酶。为研究这两个基因缺失对苏氨酸积累的影响,以谷氨酸棒杆菌R102(AHVr)为出发菌株,通过重叠延伸PCR及同源重组技术分别构建了metX、dapA单基因缺失突变株R102ΔmetX、R102ΔdapA以及双基因缺失的突变株R102ΔmetXΔdapA。对出发菌以及上述3株重组菌进行初步摇瓶发酵试验,用HPLC法测定发酵液中苏氨酸含量。结果表明,发酵72 h后,3株重组菌的苏氨酸产量分别为2.58、2.38和3.01 g/L,比原始菌株分别提高了42.5%、31.5%和66.3%。     

产L-谷氨酸工程菌株的诱变选育及其发酵效率

以高产L-谷氨酸的谷氨酸棒杆菌GY1为研究对象,采用ARTP进行全局诱变,进一步提高L-谷氨酸的发酵水平。首先,对谷氨酸棒杆菌GY1原生质体的制备及再生条件进行优化,接着,根据致死率选择最佳的ARTP处理时间,然后,采用96微孔板及摇瓶发酵的方式对突变株进行筛选,最后,对获得的优良突变株进行50 L罐发酵验证。结果显示,溶菌酶浓度为10.0 mg/mL,酶解90 min,原生质体形成率和再生率达到最佳。ARTP最佳处理时间为40 s,致死率达到89.6%,经过初筛与摇瓶复筛,获得突变株YAG117,其摇瓶发酵L-谷氨酸含量达16.3 g/L,较出发菌株提高13.9%,且连续传代五代遗传稳定。50 L补料分批发酵条件下,L-谷氨酸产量在36 h最高,达到216.6 g/L,较出发菌株提高12.9%,糖酸转化率达68.87%,比出发菌株提高了10.2%。ARTP处理GY1菌株原生质体,能够有效积累有利突变,提高突变株发酵生产L-谷氨酸的能力,获得的突变株YAG117也显示了较好的工业化应用潜力。     

代谢工程改造谷氨酸棒状杆菌合成及分泌途径生产L-缬氨酸

谷氨酸棒状杆菌是目前微生物发酵生产L-缬氨酸的主要工业菌株。文中首先在谷氨酸棒状杆菌VWB-1中敲除了alaT (丙氨酸氨基转移酶),获得突变菌株VWB-2,作为出发菌株。进而对L-缬氨酸合成途径关键酶——乙酰羟酸合酶 (ilvBN) 的调节亚基进行定点突变 (ilvBN1M13),解除L-缬氨酸对该酶的反馈抑制。然后辅助过量表达L-缬氨酸合成途径关键基因ilvBN1M13、乙酰羟酸异构酶 (ilvC)、二羟酸脱水酶 (ilvD)、支链氨基酸氨基转移酶 (ilvE),加强通往L-缬氨酸的碳代谢流,提高菌株的L-缬氨酸水平。最后,基于过量表达L-缬氨酸转运蛋白编码基因brnFE及其调控蛋白编码基因lrp1,提高细胞的L-缬氨酸转运能力。最终获得工程菌株VWB-2/pEC-XK99E-ilvBN1M13CE-lrp1-brnFE在5 L发酵罐中的L-缬氨酸产量达到461.4 mmol/L,糖酸转化率达到0.312 g/g葡萄糖。     

谷氨酸棒杆菌S9114摇瓶发酵产γ-氨基丁酸的研究

为实现谷氨酸棒杆菌工业化生产γ-氨基丁酸(GABA),对L-谷氨酸工业生产菌S9114进行代谢途径改造。通过构建一株工程菌株S9114/p JYW-4-gad B1-gad B2,将来源于短乳杆菌Lb85菌株的谷氨酸脱羧酶编码基因gad B1和gad B2进行共表达,实现发酵72 h后发酵液中GABA含量达到32.8 g/L,GABA糖酸转化率达到47.3%。通过敲除该菌株的谷丙转氨酶编码基因ala T,使工程菌株S9114Δala T/p JYW-4-gad B1-gad B2发酵液中L-丙氨酸浓度降低5.5%,进一步降低了发酵副产物的含量。研究结果为利用谷氨酸棒杆菌实现工业化生产γ-氨基丁酸提供了有价值的参考。     

含苏氨酸操纵子重组质粒的构建及其对大肠杆菌L-苏氨酸积累的影响

摘要：【目的】通过分子生物学手段构建重组质粒,将其转入野生型大肠杆菌W3110,分析含苏氨酸操纵子基因的质粒及质粒定点突变解除反馈抑制时,对L-苏氨酸积累的影响。【方法】以W3110染色体DNA为模板,PCR扩增苏氨酸操纵子基因,即启动子THrLp、编码前导肽基因thrL以及thrA、thrB、thrC基因,通过重叠延伸PCR的方法对thrA基因定点突变,解除苏氨酸对它的反馈抑制,构建出重组表达质粒WYE112和WYE134,5 L发酵实验测定L-苏氨酸的产量。【结果】经5 L发酵罐发酵产酸实验,W3110的L-苏氨酸产量为0.036 ± 0.004 g/L,携带含苏氨酸操纵子质粒的W3110菌株L-苏氨酸产量为2.590 ± 0.115 g/L,质粒上thrA解除反馈抑制后,L-苏氨酸的产量增加到9.223 ± 1.279 g/L。【结论】过表达苏氨酸操纵子基因可以使L-苏氨酸积累,进一步解除thrA基因的反馈抑制,可以增强L-苏氨酸积累的效果,为L-苏氨酸工程菌改造的进一步研究奠定了基础。     

L-缬氨酸高产菌株的选育研究

以产L-缬氨酸的谷氨酸棒状杆菌(Corynebacterium glutamicum)为原始菌株,利用注入低能氮离子束进行一系列诱变,获得一株稳定的高产L-缬氨酸突变菌株。摇瓶培养96h后发酵能力可达38.0g·L-1,较出发菌株提高18.01%。通过对摇瓶中葡萄糖、玉米浆浓度及培养条件进行优化,发酵能力达到40.6g·L-1,50L发酵罐的发酵能力可达70g·L-1左右。     

谷氨酸棒杆菌aroⅡ、trpEGD基因的过量表达及其对色氨酸合成的影响

以谷氨酸棒杆菌SPT9(Phe-、Tyr-、4-FPr、6-FTr)为出发菌株,采用PCR方法扩增色氨酸合成途径中解除了反馈抑制的关键酶aroⅡ和trpEGD基因,应用大肠杆菌-谷氨酸棒杆菌穿梭表达载体pEC-XK99E在谷氨酸棒杆菌SPT9中对其进行了分别过量表达和串联过量表达.首先对aroⅡ和trpEGD基因分别进行过量表达,得到菌株SPT9-aroⅡ、SPT9-trpEGD,摇瓶发酵试验表明,菌株SPT9-aroⅡ、SPT9-trpEGD的色氨酸产量相对于出发菌株SPT9分别提高了30%、23%;进一步对aroⅡ和trpEGD进行了串联过量表达,得到菌株SPT9-trpEGD-TP-aroⅡ,摇瓶发酵试验表明,该菌株色氨酸产量相对于出发菌株SPT9提高了84%.荧光定量PCR检测表明,菌株SPT9-trpEGD-TP-aroⅡ中aroⅡ、trpEGD基因的表达量分别为出发菌株SPT9的4.0倍和1.3倍.     

耐温性L-谷氨酸发酵菌种的选育

应用基因组改组技术提高,L-谷氨酸生产菌在高温发酵条件下的谷氨酸产量。以天津短杆菌T6—13变异株SW07-1为原始亲株,分别经紫外线（UV）-硫酸二乙酯（DES）和X射线诱变,获得5株耐温性能略有提高的突变菌株。经2轮基因组改组,获得耐高温（能在44℃生长）的L-谷氨酸菌株F2-50。F2—50在38℃下,摇瓶发酵40h,发酵液中L-谷氨酸浓度比原始出发菌株提高了近41％,在41℃高温下,摇瓶发酵40h,L-谷氨酸浓度比原始出发菌株提高了近2倍。     

谷氨酸棒杆菌ilvE基因的敲除对相关氨基酸合成的影响

L-缬氨酸是谷氨酸棒杆菌SYPS-062发酵生产L-丝氨酸的主要副产物.为减少L-缬氨酸的积累,利用基因重组技术敲除SYPS-062转氨酶B编码基因ilvE内部的987 bp核苷酸序列,构建了ilvE基因缺失突变株SYPS-062△ilvE.研究表明,重组菌ilvE基因的缺失直接导致了分支氨基酸(Val、Ile、Leu)的合成能力的降低,影响了菌体的生长,其中Ile成为生长限制性因子,在培养基中添加分支氨基酸能明显促进其生长.重组菌培养96 h,发酵液中L-缬氨酸含量低于0.5 g/L,与出发菌株相比,其生成率降低90％.     

酿酒酵母POS5基因过表达对L-异亮氨酸合成的促进作用

L-异亮氨酸是人体必需氨基酸之一,具有很大的商业价值。在谷氨酸棒杆菌中,合成一分子L-异亮氨酸需要消耗四分子NADPH。因此,提高胞内NADPH浓度是提高L-异亮氨酸产量的重要手段之一。在乳糖发酵短杆菌JHI3-156中过量表达酿酒酵母的NADH激酶编码基因POS5△MTS,发酵48 h表达菌株JHI3-156/pDXW-10-POS5△MTS的胞内NADP~+浓度增加了27μmol/L(17%),NADPH浓度增加了36μmol/L(96%);发酵72 h后L-异亮氨酸产量是(3.02±0.52)g/L,比对照菌(1.96±0.04)g/L提高了54%。本研究表明,过表达POS5△MTS基因能提高NADPH的供应,促进了L-异亮氨酸的生物合成。     

双功能尿苷酰转移/去除酶GlnD在谷氨酸棒杆菌JNR中的功能

【目的】通过改造谷氨酸棒杆菌JNR中双功能尿苷酰转移/去除酶GlnD,减弱尿苷酰去除酶的活性,增强NH_4~+的转运和利用,提高L-精氨酸的合成。【方法】本文对来源于谷氨酸棒杆菌的突变菌株JNR中的双功能尿苷酰转移/去除酶GlnD进行整合突变,采用同源重组的方法将H_(414)和D_(415)位点突变为两个丙氨酸AA,在此菌株的基础上过量表达PII蛋白GlnK,并对其进行尿苷酰化研究,离子色谱检测摇瓶发酵过程中NH4+的浓度,并对最终的改造菌株进行连续流加发酵分析。【结果】该双功能尿苷酰转移/去除酶在谷氨酸棒杆菌中成功进行整合突变,有效减弱了尿苷酰去除酶的活性;同时过表达PII蛋白GlnK,其酰基化程度明显增强。摇瓶发酵结果表明菌株L4消耗NH_4~+增加,L-精氨酸产量为36.2±1.2 g/L,比对照菌株L3高出22.7%。5-L发酵罐实验结果显示改造菌株L4的L-精氨酸的产量为52.2 g/L,较野生型菌株L0提高了25.3%。【结论】谷氨酸棒杆菌合成L-精氨酸的过程中氮源是必不可少的。减弱GlnD尿苷酰去除酶的活性后,胞内尿苷酰化的GlnK-UMP增加,GlnK-UMP与氮转录调控因子AmtR结合,转运至胞内的NH_4~+浓度提高,促使L-精氨酸产量显著提高。     

北京棒杆菌天冬氨酸激酶突变体Q316P的酶学性质

【目的】对北京棒杆菌(Corynebacterium pekinense)天冬氨酸激酶(Aspartate kinase,AK)进行改造,期望获得具有较高酶活力且酶活性质改善的高产天冬氨酸族氨基酸的优良突变株,并削弱甚至解除Thr对AK的反馈抑制作用。【方法】利用定点突变技术对Gln(Q)316位点进行突变,高通量筛选获得活力提高明显的突变体,并将其在大肠杆菌BL21中高效表达,对野生型(Wild type,WT)和突变体Q316P AK用镍柱纯化,进行酶动力学及酶学性质研究。【结果】获得突变体Q316P,并在大肠杆菌BL21中成功表达。与野生型相比,突变体Q316P的V_(max)提高8.53倍,n值由2.15降低为1.29,正协同性减弱;最适温度由25°C升高至30°C;最适p H由8.0降低至7.5,半衰期由3.8 h延长至5.0 h;且在实验范围浓度内,底物抑制剂苏氨酸对突变体Q316P表现出激活作用;Q316P AK对金属离子K+和有机溶剂甲醇表现出良好抗性。【结论】获得酶活力提高、酶学性质改善的突变体,并一定程度上解除苏氨酸对AK的反馈抑制,为构建高产天冬氨酸族氨基酸工程菌提供参考。     

利用Red同源重组技术构建产L-苏氨酸的基因工程菌

利用Red重组技术构建不同基因突变的L-苏氨酸工程菌大肠杆菌ITHR,研究单敲除metA、ilvA和双敲除metA、ilvA基因后对L-苏氨酸积累的影响。应用质粒pKD46介导的Red同源重组系统,通过第一次同源重组将拟敲除基因替换为氯霉素抗性基因,再通过重组酶在FRT位点发生第二次同源重组,消除抗性基因,成功敲除了菌株ITHR体内苏氨酸合成的代谢旁路途径中的metA和ilvA基因,构建了三株不同的基因突变株。将携带苏氨酸操纵子的工程质粒pWYE065电转化入敲除不同基因的突变株中,构建基因工程菌。经5 L发酵罐发酵产酸实验,未敲除任何基因的菌株ITHR/pWYE065 L-苏氨酸的产量为5.55±0.51 g/L,metA基因单敲除菌株ITHR△metA/pWYE065 L-苏氨酸产量为9.77±1.83 g/L,ilvA基因单敲除菌株ITHR△ilvA/pWYE065 L-苏氨酸产量为8.65±1.42 g/L,同时敲除ilvA和metA基因的菌株ITHR△metA△ilvA/pWYE065 L-苏氨酸的产量增加到13.6±1.14 g/L。通过敲除L-苏氨酸的旁路代谢途径中的关键酶的基因,可以增强L 苏氨酸积累的效果,为L-苏氨酸工程菌的进一步改造奠定了基础。     

谷氨酸棒杆菌SYPS-062 L-丝氨酸脱水酶活性分析及其基因敲除对L-丝氨酸积累的影响

以谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum) SYPS-062基因组DNA为模板,扩增得到L-丝氨酸脱水酶(L-SerDH)的编码基因sdaA。将其克隆到表达载体pET-28a(+),并在E.coli BL21(DE3)中诱导表达,对纯化的L-SerDH进行了酶活测定,并与来自C.glutamicum ATCC13032的重组L-SerDH进行了比较,结果显示,两种不同菌株来源的重组L-SerDH降解L-丝氨酸的酶比活力差异并不显著。在此基础上敲除菌株SYPS-062 的sdaA基因,探讨该基因对C.glutamicum SYPS-062生长及产酸的影响。通过构建自杀型重组质粒pK18mobsacB-△sdaA,电击转入C.glutamicum SYPS-062中,以同源重组的方式获得了sdaA基因缺失突变株,并用PCR方法对突变株C.glutamicum SYPS-062△sdaA进行了验证。与出发菌株相比,突变菌株生长缓慢,单位菌体L-丝氨酸的产量(Y_P/X)提高了15.13%。     

抗反馈抑制的天冬氨酸激酶基因在钝齿棒杆菌中的表达

将来自钝齿棒杆菌（Corynebacterium crenatum）CD945具有AEC抗性的天冬氨酸激酶(AKfbr)基因克隆到穿梭载体pJC1上,构建重组质粒pLY153。用电击法将质粒pLY153转化到野生型菌株C. crenatum AS1.542及其突变株C. crenatum CD945中。携带AKfbr基因的C. crenatum AS1.542菌株能抗浓度皆为12mg/mL的AEC和苏氨酸。AKfbr基因在C. crenatum CD945中得到表达,天冬氨酸激酶活性提高4倍。摇瓶发酵实验结果表明,重组菌在对数前期和中期生长正常,不受抑制;与对照菌相比,赖氨酸终产量提高22％,赖氨酸生产率提高23％。     

谷氨酸棒杆菌YILW苏氨酸脱水酶基因的克隆表达及酶学性质

将L-异亮氨酸生产菌谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum YILW)苏氨酸脱水酶(threonine de-hydratase,TD)的编码基因ilvA在大肠杆菌中进行异源表达及进行初步的酶学性质研究。分别以C.glutamicum ATCC13032、YILW的基因组DNA为模板,利用PCR技术扩增出苏氨酸脱水酶的编码基因ilvA,测序获得编码序列。利用质粒PET-His将该基因在大肠杆菌BL21(DE3)中进行重组表达、金属螯合纯化,对其酶学性质进行初步研究。结果显示C.glutamicum YILW编码基因序列与已报道的ilvA序列相差5个碱基,相似度为99.6%,第383位氨基酸由苯丙氨酸突变为缬氨酸。酶学性质研究表明:重组酶YilwTD最适反应温度为32℃,在20~55℃范围内该酶较稳定,最适pH为6.7,该酶底物专一性强,对最适底物苏氨酸的米氏常数Km=8.32 mmol/L,最大反应速度Vmax=3.18×104U/mg,与野生型酶相比,突变(F383V)后可显著降低终产物对酶的反馈抑制作用。为揭示突变对苏氨酸脱水酶活性的影响及进一步利用基因工程技术改造L-异亮氨酸生产菌,提高L-异亮氨酸产量奠定了基础。     

辅酶Q10产生菌的抗性筛选及发酵条件优化

以根癌土壤杆菌(Agrobacterium tumefaciens)WSHAT12为出发菌株,通过硫酸二乙酯诱变,获得遗传稳定性好的抗L-乙硫氨酸(Eth)突变株WSH-E01,通过进一步的诱变处理,获得L-乙硫氨酸和维生素K3(VK3)双抗性突变株WSH-V01,以双抗性突变株WSH-V01为出发菌株,再进行诱变处理,获得一株X-gal利用能力提高的突变株WSH-X01,与出发菌株WSHAT12相比,突变株WSH-X01的辅酶Q10产量提高幅度达50.6%,同时,对突变株WSH-E01的发酵条件进行优化。出发菌株WSHAT12、突变株WSH-E01、WSH-V01和WSH-X01在优化后的发酵条件下辅酶Q10产量分别达到23.1mg/L、26.8mg/L、29.5mg/L和34.8mg/L。     

产γ-聚谷氨酸枯草芽胞杆菌菌株的高效诱变及发酵条件优化

以产γ-聚谷氨酸(γ-PGA)枯草芽胞杆菌菌株SY-ND为出发菌株,采用新型常压室温等离子体技术对其进行诱变以期获得高产菌株,在诱变致死率为80%~98%的条件下,通过检测突变菌株发酵产γ-PGA的量,筛选得到一株高产菌株SY-ND-SFX029。通过正交试验优化得出最佳培养基条件为:蛋白胨8.0g·L-1、蔗糖45.0g·L-1、L-谷氨酸钠35.0g·L-1。依照该条件经过48h发酵,菌株SY-ND-SFX029的γ-PGA产量达35.3g·L-1,比出发菌株SY-ND的γ-PGA产量18.9g·L-1提高86.8%。     

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶介导的草酰乙酸回补途径对谷氨酸棒杆菌V1氨基酸代谢的影响

【目的】谷氨酸棒杆菌是工业生产氨基酸的主要菌株,以缬氨酸高产菌株谷氨酸棒杆菌V1为研究对象,探讨磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PCK)介导的草酰乙酸回补途径对菌株生理特性以及主要氨基酸代谢流量的影响。【方法】通过基因工程手段,在谷氨酸棒杆菌V1中过表达pepc(编码PEPC)和pck(编码PCK),比较重组菌与出发菌关键酶活性、发酵特性以及主要氨基酸积累量变化。【结果】构建两株重组菌V1-pepc(强化草酰乙酸回补途径)和V1-pck(弱化草酰乙酸回补途径),重组菌生长均较出发菌延缓,总生物量、葡萄糖和硫酸铵消耗基本不变;过表达pck,PCK活性提高22.8%,丙氨酸、缬氨酸、谷氨酸、精氨酸积累量分别提高了11.8%、17.2%、27.8%和19.5%;过表达pepc,PEPC活性提高27.5%,同时PC活性降低12.9%,天冬氨酸族和谷氨酸族氨基酸的整体流量变化不大,丙氨酸族氨基酸的整体流量降低了14.7%。【结论】丙氨酸族氨基酸受此回补途径影响较大,天冬氨酸族氨基酸受此影响较小。