改造大肠杆菌合成海藻糖途径以高效合成海藻糖

海藻糖是相容性溶质的一种,因其具有多种生物学功能,在食品、化妆品、药品以及器官移植等方面均有很广泛应用。然而近几年生产海藻糖主要集中在使用酶催化的方法,虽然这种方法的转化效率高,但是却存在着副产物的问题,难以得到高纯度的海藻糖产品,严重制约了海藻糖的应用。本文通过基因工程技术在大肠杆菌Escherichia coli中构建了海藻糖高效合成新途径,通过全细胞催化合成海藻糖。利用PCR技术在哈氏噬纤维菌Cytophaga hutchinsonii中克隆获得海藻糖双功能合成酶基因(tpsp),采用E.coli pTac-HisA高效表达载体,实现海藻糖双功能合成酶基因(tpsp)高效表达,利用高效表达菌株进行全细胞催化,将葡萄糖高效转化为海藻糖。结果表明C.hutchinsonii海藻糖合成酶基因(tpsp)在E.coli中成功实现表达,该酶能够在胞内将葡萄糖高效转化为海藻糖,并将其转运到胞外,实现海藻糖的高效率合成,海藻糖的产量提高到1.2 g/L,相对转化率为21%。当将此高产菌株在发酵罐中进行转化时,海藻糖的产量达到13.3 g/L,葡萄糖的相对转化率达到48.6%。采用C.hutchinsonii海藻糖合成酶基因高效表达并且应用于海藻糖全细胞合成催化在国内外尚属首次报道,海藻糖的转化率及产率都已达到文献报道最高水平,本研究为开拓海藻糖生产新技术奠定了基础。     

异戊二烯合成酶(IspS)在大肠杆菌中的表达及其产异戊二烯的研究

将来源于银白杨的异戊二烯合成酶基因按照大肠杆菌密码子偏爱性进行优化,克隆到表达载体pACYCDu-et-1上,在大肠杆菌BL21(DE3)中异源表达,采用镍柱亲和层析纯化重组蛋白并测定其异戊二烯合成酶活性,通过摇瓶发酵实验对重组菌产异戊二烯进行进一步研究。结果显示:银白杨异戊二烯合成酶在大肠杆菌中能够高效表达,经过镍柱纯化后,电泳检测到特异性表达条带;该重组异戊二烯合成酶能够催化异戊二烯的合成,重组菌的异戊二烯产量可达到60μg/L。     

玫瑰链霉菌海藻糖合成酶基因克隆、表达及功能鉴定

目的:克隆玫瑰链霉菌海藻糖合成酶基因(Srt)使其在大肠杆菌XL10-Gold中高效表达,并对重组酶的酶学特性进行研究。方法:利用PCR技术从玫瑰链霉菌中克隆到一段长1 704bp的海藻糖合成酶基因(Srt),构建重组表达质粒pSE380-Srt-treS,将其转化大肠杆菌XL10-Gold中诱导表达,对重组纯酶进行SDS-PAGE分析及酶学特性测定。结果:SDS-PAGE显示在65kDa处有明显单一蛋白条带。该酶可催化麦芽糖和海藻糖之间的可逆反应,海藻糖得率达82%,且含有很低的副产物葡萄糖(5%左右)。最适反应温度和pH分别为30℃、7.5,Cu2+、Zn2+和Tris能明显抑制酶活力。该酶还可催化蔗糖生成一种无龋齿,适合糖尿病患者食用的糖类-海藻酮糖。结论:成功克隆表达了一个海藻糖合成酶基因,该酶转化率高,副产物较少,为工业酶法生产海藻糖奠定基础。     

麦芽糖诱导海藻糖合成酶基因在B.subtilis WB800n中的表达

运用枯草芽孢杆菌中的麦芽糖诱导型启动子调控元件,构建得到麦芽糖诱导海藻糖合成酶的安全表达系统,使其制备的海藻糖能够广泛应用于食品医疗行业。以来源于恶臭假单胞杆菌KT2440(Pseudomonas putida KT2440)的海藻糖合成酶基因Tre S为报告基因,以cre序列定点突变(CG碱基突变为AT碱基)优化后的麦芽糖诱导型的枯草芽孢杆菌操纵元启动子Pglv为调控元件、大肠杆菌-枯草芽孢杆菌穿梭质粒PHT01为载体骨架,通过Bam H I和Aat II限制酶酶切替换,构建得到高效表达载体Pglv-PHT01-Tre S,将质粒电转化到B.subtilis WB800n并验证其表达效果。成功构建了海藻糖合成酶高效表达质粒Pglv-PHT01-Tre S,并实现了该重组质粒在B.subtilis WB800n中的表达。利用基础发酵培养基优化发酵条件验证结果表明,菌体生长到发酵液吸光值OD600达到1.2时加入终质量分数4.5%的麦芽糖,37℃诱导18 h后胞内的海藻糖合成酶的粗酶活力达到18.9 U/m L。为了提高海藻糖合成酶的表达量,还构建了通过单交叉互换方法敲除了α-淀粉酶基因amy E的重组菌株B.subtilis WB800n(Δamy E),减少了胞外α-淀粉酶对麦芽糖的降解成葡萄糖,提高了麦芽糖的诱导表达效果以及减少葡萄糖的反馈抑制,表达质粒在麦芽糖诱导条件下在该重组菌中海藻糖合成酶酶活提高到了29.2 U/m L。首次成功实现了麦芽糖诱导海藻糖合酶在枯草芽孢杆菌中的高效表达,为获得制备安全高效的海藻糖合成酶表达系统奠定了基础。     

重组大肠杆菌高密度发酵产甲羟戊酸动力学

为提高甲羟戊酸产量,探究其发酵生产规律,以重组大肠杆菌YJM16为供试菌株,进行5 L发酵罐匀速补料的高密度发酵实验,最终细胞产量达到54.48 g/L,甲羟戊酸产量达到40.43 g/L,产率为20.2%。然后根据Logistic方程、Luedeking-Piret方程和类似Luedeking-Piret方程,拟合出重组大肠杆菌高密度发酵过程中菌体生长、甲羟戊酸合成、基质消耗的动力学模型及模型参数。结果表明,甲羟戊酸的合成与重组大肠杆菌的生长速率及菌体积累量均有关。菌体生长、底物消耗模型和产物形成模型拟合度R2分别达到了0.931 9、0.957 8和0.975 1,可用于描述利用重组大肠杆菌高密度发酵生产甲羟戊酸过程。     

大肠杆菌高密度发酵表达4-羟基苯乙酸酯3-羟化酶及咖啡酸的高效生物合成

来源于大肠杆菌的4-羟基苯乙酸酯3-羟化酶(4-hydroxyphenylacetate 3-hydroxylase,4HPA3H)可以催化对香豆酸生物合成咖啡酸。为了实现4HPA3H的扩大生产和咖啡酸的高效生物合成,首先构建过表达4HPA3H的大肠杆菌工程菌,其次使用5 L发酵罐进行高密度发酵生产4HPA3H,再而优化采用工程菌株进行全细胞催化产咖啡酸的条件。最终实现了在5 L发酵罐中发酵,工程菌株生物量达到干重34.80 g/L。通过使用5 L发酵罐作为生物反应器进行全细胞催化,经过6 h的催化可产生18.74 g/L (0.85 g/(L·OD₆₀₀))咖啡酸,摩尔转化率为78.81%,是目前文献报道4HPA3H以对香豆酸为底物合成咖啡酸的最高水平。初步实现了高密度培养大肠杆菌表达4HPA3H并高效生物合成咖啡酸,为工业化生产奠定了基础。     

表达重组葡激酶-水蛭素融合蛋白的大肠杆菌工程菌的高密度培养

采用溶氧反馈的分批培养流加补料的方法高密度培养重组大肠杆菌BL21(DE3)生产重组葡激酶-水蛭素融合蛋白。通过摇瓶培养对菌种和培养条件的初步筛选,采用溶氧反馈的流加补料策略,进行了5L发酵罐的合成培养基和复合培养基的发酵工艺的研究。通过对培养条件的不断优化,重组葡激酶-水蛭素融合蛋白在大肠杆菌BL21(DE3)里得到了高效表达,菌体密度最终达到115g/L(WCW)以上,可溶性重组融合蛋白占菌体总蛋白的30%以上,含量约为1.1~1.2g/L。5L发酵罐的发酵工艺参数在40L发酵罐中进行了放大培养,结果表明该工艺能有效的放大,可适用于工业生产。     

重组尿酸氧化酶发酵工艺优化

目的:优化并获得重组尿酸氧化酶(rUOX)基因工程大肠杆菌BL21(DE3)/pET-32a-uox高密度发酵的工艺参数。方法:在三角摇瓶中进行培养条件的优化实验,分别考察了pH值、接种量、无机盐、碳源、诱导强度等对工程菌生长和重组蛋白表达的影响,得到了优化的发酵条件;在此基础上放大至NBS BIOFLO 110 14 L发酵罐,通过对诱导时机的优化,利用分批补料发酵的方式,使rUOX在高密度培养的条件下得到高表达。结果:在优化的发酵条件下,菌体密度(D600nm)最终达到50以上,相当于20 g/L干重;可溶性rUOX占菌体总蛋白量的45%,其含量达到3.45 g/L。结论:为规模化制备重组黄曲霉尿酸氧化酶奠定了基础。     

透性化细胞海藻糖合成酶的制备及其催化合成海藻糖的工艺优化

笔者以麦芽糖为底物,开展经渗透细胞技术处理得到的透性化细胞海藻糖合成酶催化制备海藻糖的新工艺开发。首先,对比不同透性化试剂对异源表达海藻糖合成酶的大肠杆菌工程菌的透性化处理效果,发现使用硫酸粘杆菌素时海藻糖合成酶的催化转化率高达64.6%,是传统超声破碎的2.63倍;其次,通过参数优化获得硫酸粘杆菌素透性化处理的最佳条件,即:1.5 g/L的硫酸粘杆菌素在30℃下处理60 min,得到的海藻糖合成酶活性最高,为5 209 U/mL;最后,利用透性化处理后的大肠杆菌工程菌进行全细胞催化制备海藻糖工艺研究,结果表明:以质量分数25%的麦芽糖为底物,在pH 7.5、30℃条件下,获得海藻糖的转化率为65.6%;进一步通过离心收集细胞进行反复催化试验,在20批次之后,转化率仍维持在62.5%,显示了良好的应用前景。     

腾冲嗜热杆菌热稳定海藻糖磷酸化酶的基因表达与酶的分子生物学性质研究

分离克隆了腾冲嗜热杆菌(Thermoanaerobacter tengcongensis)海藻糖磷酸化酶(TreP)的编码基因(treP), 该酶可催化以葡萄糖和α-1-磷酸葡萄糖为底物的海藻糖合成反应及其逆向的分解反应. 反向mRNA点杂交实验表明, 腾冲嗜热杆菌中treP基因在高盐胁迫条件下表达量增加, 而在海藻糖诱导条件下表达量降低. 将该基因导入不含TreP的大肠杆菌中进行诱导表达, SDS-PAGE表明, 异源表达的TreP分子量约为90 kD, 与预期值相同. 通过葡萄糖氧化酶法测定分解产物葡萄糖的产率表明: TreP催化海藻糖分解反应的最适温度是70℃, 最适pH值为7.0; 通过HPLC检测合成产物海藻糖的产率表明: TreP催化合成反应的最适温度为70℃, 最适pH值为6.0. 在最适反应条件下, 50 μg的TreP粗酶可催化25 mmol/L α-1-磷酸葡萄糖与葡萄糖在30 min合成11.6 mmol/L海藻糖; 而同量的酶在同样时间内仅能将250 mmol/L海藻糖分解生成1.5 mmol/L葡萄糖. 以上体内胁迫和诱导表达分析及体外酶学性质分析均证明该酶的主要功能是催化海藻糖的合成反应. 热稳定性实验表明, 该酶性质比较稳定, 在50℃下温育7 h还能保持77%以上的活性, 是一个有潜在工业用途的新的热稳定海藻糖合成酶.     

糖丁基梭菌产丁醇途径在大肠杆菌中的构建及发酵

摘要:【目的】通过克隆来源于糖丁基梭菌(Clostridium saccharobutylicum DSM13864)丁醇合成途径的关键酶基因(thlA,bcs-operon和adhE),构建产丁醇大肠杆菌。【方法】以Clostridium saccharobutylicum DSM13864的基因组为模板,分别扩增丁醇途径关键酶基因thlA,bcs-operon(crt-bcd1-etfB2-fixB2-hbd)和adhE,构建了两个重组质粒pETDuet-bcs和pRSFDuet-thlA-adhE,并成功转入E.coli JM109(DE3)实现异源表达,使大肠杆菌具备产丁醇能力。在半厌氧条件下进行重组菌的发酵,并研究不同培养基对产丁醇的影响。【结果】该重组菌在半厌氧条件下经摇瓶发酵丁醇产量达到25.4 mg/L,通过优化培养基后,在TB发酵培养基中丁醇产量可达到34.1 mg/L。【结论】通过构建重组共表达质粒,将糖丁基梭菌来源的丁醇途径关键酶基因在大肠杆菌中表达,成功构建产丁醇大肠杆菌。该研究提供了一株易于操作的丁醇发酵重组大肠杆菌,避免了传统梭菌发酵丁醇生产中苛刻的厌氧条件、易产孢子等限制问题。     

灰树花海藻糖合成酶基因的克隆及其在大肠杆菌中的表达

海藻糖主要作用是作为生物体的结构组分、以及保护生物膜和保护蛋白质。在灰树花中 ,海藻糖在干重中所占比例最高可达到 1 5 %～ 1 7% ,说明灰树花合成海藻糖的能力很强。将灰树花海藻糖合成酶基因克隆 ,并在大肠杆菌表达系统里表达。表达量为 1 90mg L。通过活性测定 ,证明在大肠杆菌中表达的海藻糖合成酶具有酶活性 ,结合基因工程和酶工程方法 ,为合成海藻糖的研究提供了新的方向     

Sulfolobus acidocaldarius ATCC 33909麦芽寡糖基海藻糖合成酶在Bacillus subtilis中的重组表达和发酵优化

为实现Sulfolobus acidocaldarius ATCC 33909来源的麦芽寡糖基海藻糖合成酶(MTSase)基因tre Y在枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)中的重组表达,以质粒p ET-24a(+)-tre Y为模板PCR扩增得到目的基因,并与表达载体pHY300PLK连接,转入表达宿主Bacillus subtilis CCTCC M 2016536中,重组菌在TB培养基中培养48 h后MTSase酶活达到17.5 U/m L;在此基础上对重组菌发酵条件进行优化,通过单因素实验(氮源种类、氮源复配、氮源浓度、碳源种类、葡萄糖浓度、初始pH、诱导温度)和正交实验(氮源浓度、葡萄糖浓度、初始pH、诱导温度)确定其摇瓶发酵产酶的最适培养基和培养条件为:氮源(工业蛋白胨∶棉籽粉=3∶1)48.0 g/L、葡萄糖为10.0 g/L、培养基初始pH为7.0,最适培养温度为30℃;在此条件下,MTSase的酶活可达41.5 U/m L,是优化前的2.4倍。     

β-蒎烯合成酶(QH6)在大肠杆菌中的表达及其产β-蒎烯的研究

蒎烯是一种重要的平台化合物,可以用来合成高密度燃料、精细化学品及材料。将来源于黄花蒿的β-蒎烯合成酶基因与外源杂合甲羟戊酸(MVA)途径一起整合到BL21(DE3)中共表达,通过气相色谱-质谱(GC-MS)和气相色谱(GC)对发酵产物进行了定性及定量检测。通过发酵条件优化,对影响发酵产β-蒎烯的因素(诱导温度、诱导剂浓度和N源)进行了考察。结果表明:来自黄花蒿的蒎烯合酶可以在宿主细胞内高效表达,且能高效催化β-蒎烯的合成。通过对重组菌进行发酵条件优化得到最佳培养条件:诱导温度为28℃,IPTG浓度为0.1 mmol/L,最佳有机N源为MD牛肉粉。在此条件下,检测出β-蒎烯产量达到22.89 mg/L,比优化前(4.60 mg/L)提高了3.98倍。     

重组大肠杆菌高密度发酵研究进展

重组大肠杆菌的高密度发酵是提高基因工程产品产量的一个非常有效的手段,是现代发酵工程研究的一个热点。本文就高密度发酵中影响重组大肠杆菌发酵产率的几个因素,包括宿主菌、培养基、培养条件、补料方法以及高密度发酵过程中存在的问题和对策加以讨论,着重探讨了高密度下大肠杆菌产生的有害代谢副产物———乙酸的产生机制、抑制作用机理,以及控制乙酸积累的技术方法 。     

代谢工程与全基因组重组构建酿酒酵母抗逆高产乙醇菌株

将酿酒酵母海藻糖代谢工程与全基因组重组技术相结合,改良工业酿酒酵母菌株的抗逆性和乙醇发酵性能。对来源于二倍体出发菌株Zd4的两株优良单倍体Z1和Z2菌株进行杂交获得基因组重组菌株Z12,并对Z1和Z2先进行(1)过表达海藻糖-6-磷酸合成酶基因 (TPS1) ,(2)敲除海藻糖水解酶基因 (ATH1), (3)同时过表达 TPS1和敲除ATH1, 经此三种基因工程操作后再进行杂交获得代谢工程菌株的全基因组重组菌株Z12ptps1、Z12 Δath1和Z12pTΔA。与亲株Zd4相比,Z12及结合代谢工程获得的菌株在高糖、高乙醇浓度与高温条件下生长与乙醇发酵性能都有不同程度的改进。对比研究结果表明:在高糖发酵条件下,同时过表达 TPS1和敲除ATH1 的双基因操作工程菌株胞内海藻糖积累、乙醇主发酵速率和乙醇产量相对于亲株的提高幅度要大于只过表达 TPS1,或敲除ATH1 的工程菌。结合了全基因组重组后获得的二倍体工程菌株Z12pTΔA,与原始出发菌株Zd4及重组子Z12相比,主发酵速率分别提高11.4%和6.3%,乙醇产量提高7.0%和4.1%,与其胞内海藻糖含量高于其它菌株、在胁迫条件下具有更强耐逆境能力相一致。结果证明,海藻糖代谢工程与杂交介导的全基因组重组相结合,是提高酿酒酵母抗逆生长与乙醇发酵性能的有效策略与技术途径。     

过量表达自身hemA基因的重组大肠杆菌发酵生产5-氨基乙酰丙酸的研究

研究了优化重组大肠杆菌产5-氨基乙酰丙酸（ALA）的条件,提高大肠杆菌发酵生产AL气的产量。在测定重组大肠杆菌GT48的生长曲线的基础上,确定诱导时间,优化摇瓶发酵条件。然后,进一步在5L发酵罐上进行间歇和流加发酵研究。摇瓶实验表明,细胞培养最佳初始pH为6．5,最佳诱导时间为稳定期前期,最佳接种量为2％,过高的葡萄糖浓度对细胞生长和产物合成均有一定的抑制作用。在5L发酵罐间歇发酵中,重组菌产ALA能力达到47．8mg／L。采用流加发酵可以进一步将产物产量提高到63．8mg／L。构建的过量表达自身的hemA基因的大肠杆菌具有较高的产ALA能力,通过发酵条件优化和采用流加发酵可以提高AL气产量。     

天蓝色链霉菌海藻糖合酶的异源表达、活性分析及重组菌全细胞转化合成海藻糖的条件优化

从天蓝色链霉菌Streptomyces coelicolor克隆得到海藻糖合酶基因 (ScTreS),在大肠杆菌Escherichia coli BL21(DE3) 中进行了异源表达,通过 Ni-NTA 亲和柱对表达产物进行分离纯化得到纯酶,经 SDS-PAGE 测定其分子量约为62.3 kDa。研究其酶学性质发现该酶最适温度35 ℃;最适pH 7.0,对酸性条件比较敏感。通过同源建模和序列比对分析,对该基因进行定点突变。突变酶K246A比酶活比野生酶提高了1.43倍,突变酶A165T相对提高了1.39倍,海藻糖转化率分别提高了14%和10%。利用突变体重组菌K246A进行全细胞转化优化海藻糖的合成条件并放大进行5 L罐发酵,结果表明：在麦芽糖浓度300 g/L、初始反应温度和pH分别为35 ℃和7.0的条件下,转化率最高达到71.3%,产量为213.93 g/L;当底物浓度增加到700 g/L时,海藻糖产量仍可达到465.98 g/L。     

重组大肠杆菌高密度发酵研究进展

重组大肠杆菌的高密度发酵是提高基因工程产品产量的一个非常有铲的手段,是现代发酵工程研究的一个热点。本文就高密度发酵中影响重组大肠杆菌发酵产率的几个因素,包括宿主菌、培养基、培养条件、补料方法以及高密度发酵过程中存在的问题和对策加以讨论,着重探讨了高密度下大肠杆菌产生的有害代副产物－－乙酸的产生机制、抑制作用机理,以及控制乙酸机累的技术方法。     

超嗜热酯酶EST2在不同宿主中的异源高效表达研究

来源于超嗜热古菌Alicyclobacillus acidocaldarius的酯酶EST2是目前报道的活性最高的超嗜热酯酶,具有极大的工业应用价值。为促进EST2的生产应用,将其分别在大肠杆菌及毕赤酵母中进行异源表达,并就不同宿主对表达情况和重组酶酶学性质的影响进行了分析。在大肠杆菌和毕赤酵母中重组表达的EST2酶学性质基本一致:最适温度分别为75℃和77.5℃,最适pH均为8.0,比活力分别为4656.6 U/mg和4078.3 U/mg,70℃水浴保温4.5 h,残余活力均在70%以上。在摇瓶发酵的基础上,于5 L发酵罐中进行了重组大肠杆菌及毕赤酵母的高密度发酵。毕赤酵母高密度发酵120 h菌体干重达68 g/L,最大表达酶活力为959.6 U/ml。大肠杆菌高密度发酵25 h菌体干重达60.8 g/L,最大酶活力14825.6 U/ml,表达量是毕赤酵母的15.4倍,单位时间产量是酵母的74.2倍。结果表明大肠杆菌发酵周期短、表达量高,更适合进行嗜热酯酶EST2的高效生产,这为促进嗜热酯酶在工业生物技术产业的应用奠定了基础。