带有木糖还原酶基因和木糖醇脱氢酶基因的重组酿酒酵母的构建

采用双载体系统,将携带有瑞氏木霉木糖醇脱氢酶基因的表达质粒pAJ401－Xdh1转化已带有树干毕赤氏酵母木糖还原酶基因的重组酿酒酵母H475,构建了同时带有毕赤氏酵母木糖还原酶基因和瑞氏木霉木糖醇脱氢酶基因的重组酿酒酵母HX1。研究了重组酿酒酵母HX1对木糖的转化利用情况。     

瑞氏木霉木糖醇脱氢酶基因的分离与鉴定

将在木聚糖上生长的瑞氏木霉(Trichoderma reesei)RutC-30的cDNA文库全部质粒转化已携带有毕赤氏酵(Pithia stipitis)木糖还原酶基因的重组酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)菌株H475,在H475中构建了瑞氏木霉的cDNA表达亚文库。在以木糖为唯一碳源的选择性酵母合成培养基上,从该亚文库中筛选到瑞氏木霉木糖醇脱氢酶cDNA基因．该基因片段长为1．3kb。Southern、Norhern印迹杂交分析和蛋白质凝胶电泳结果表明该基因确实来源于瑞氏木霉,所编码蛋白质分子量约为40kDa。携带有毕赤氏酵母木糖还原酶和瑞氏木霉木糖醇脱氢酶基因的重组酵母能够在以木糖为唯一碳源的培养基上生长,并能将90％以上的木糖转化为木糖醇、乙醇和其它副产品。     

克隆木糖还原酶XYL1基因的工程菌YT发酵玉米芯水解液的研究

克隆毕赤氏酵母(Pichia stipitis)木糖还原酶基因XYL1,将其连接到适用于酿酒酵母工业菌株的多拷贝载体pYMIKP中,构建得到表达质粒pYMIKY-XYL1,转化酿酒酵母工业菌株Saccharomyces cerevisiae 6508.利用G418筛选转化子,得到含高拷贝木糖还原酶基因的酿酒酵母重组菌YT,以YT发酵玉米芯工业水解液生产木糖醇,研究其发酵特性和规律,为工业上生物转化法生产木糖醇提供参考.     

木糖代谢基因表达水平对酿酒酵母重组菌株产物形成的影响

以Ｅ．ｃｏｌｉ－Ｓ．ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ穿梭质粒ＹＥｐ２４为骨架,将树干毕赤酵母（Ｐｉｃｈｉａ ｓｔｉｐｉｔｉｓ ＣＢＳ６０５４）的木糖还原酶（ＸＲ）基因ＸＹＬ１及木糖醇脱氢酶（ＸＤＨ）基因ＸＹＬ１分别以不同的相对表达方向置于酿酒酵母的乙醇脱氢酶Ｉ（ＡＤＨ１）启动子和磷酸甘油激酶（ＰＧＫ）启动子下,构建不同ＸＹＬ１及ＸＹＬ２的重组质粒。这些重组质粒分别转化酿酒酵母（Ｈ１５８）受体菌。得到的重组菌株     

酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae重组菌株木糖醇发酵的初步研究

木糖还原酶催化木糖为木糖醇的反应,是木糖代谢的第一步。将木糖还原酶的原因ＸＹＬ１引入酿酒酵母中,构建得到儿表达ＸＹＬ１基因的重组酿酒酵母菌株ＨＹＥＸ２,该重组菌株的木糖还原酶比活力为７．４７Ｕ／ｍｇ。研究表明,该菌株获得转化木糖产生木糖醇的能力,当辅助碳源葡萄糖的浓度为２％,并在发酵３０ｈ左右添加木糖,木糖醇的转化率可达到０．９７ｇ／ｇ。     

一种基因工程改造的NADH高亲和力木糖还原酶突变基因可促进酿酒酵母发酵木糖生成乙醇

在导入表达毕赤酵母(Pichia stipitis)木糖还原酶(xylose reductase,XR)和木糖醇脱氢酶(xylitol dehydrogenase,XDH)基因的重组酿酒酵母中,木糖还原酶活性主要依赖辅酶NADPH,木糖醇脱氢酶活性依赖辅酶 NAD+,两者的辅助因子不同导致细胞内电子氧化还原的不平衡,是造成木糖醇积累,影响木糖代谢和乙醇产量的主要原因之一.将经过基因工程改造获得的NADH高亲和力的木糖还原酶突变基因m1,与毕赤酵母木糖醇脱氢酶(PsXDH)基因xyl2共转染酿酒酵母AH109,以转染毕赤酵母木糖还原酶(PsXR)基因xyl1和xyl2重组质粒的酵母细胞为对照菌株,在SC/-Leu/-Trp营养缺陷型培养基中进行筛选,获得的阳性转化子分别命名为AH-M-XDH和AH-XR-XDH.重组酵母在限制氧通气条件下对木糖和葡萄糖进行共发酵摇瓶培养,HPLC检测发酵底物的消耗和代谢产物的产出情况.结果显示,与对照菌株AH-XR-XDH相比,AH-M-XDH的木糖利用率明显提高,乙醇得率增加了16%,木糖醇产生下降了41.4%.结果证实,通过基因工程改造的木糖代谢关键酶,可用于酿酒酵母发酵木糖生产乙醇,其能通过改善酿酒酵母细胞内氧化还原失衡的问题,提高木糖利用率和乙醇产率.     

树干毕赤酵母木糖还原酶基因的克隆及在大肠杆菌中的表达

根据NCBI中的木糖还原酶基因序列设计引物,利用高保真聚合酶克隆树干毕赤酵母木糖还原酶基因,加A后克隆到质粒pGM-T中,测序验证.然后将目的基因克隆到舍有强启动子的穿梭表达载体p424GPD中,构建含有XYL1基因的重组质粒p424GPD-XYL1.将p424GPD-XYL1转化到大肠杆菌中,提取总蛋白,聚丙烯酰胺凝胶电泳分析.酶活测定确定木糖还原酶基因XYL1在大肠杆菌中得到活性表达,表明表达载体构建成功.表达载体的成功构建为后续构建重组酿酒酵母利用木糖发酵奠定基础.     

不同宿主来源的重组酿酒酵母混合糖代谢比较

【目的】研究不同工业酿酒酵母宿主背景对重组酵母木糖利用效率的影响。【方法】将木糖利用途径的木糖还原酶(XR)、木糖醇脱氢酶(XDH)和木酮糖激酶(XK)编码基因串联后分别转入3株不同的工业酿酒酵母中,得到重组酵母ZQ1、ZQ5和ZQ7。分别对3个木糖途径代谢基因的表达水平、酶活和重组菌株的木糖发酵效率进行比较。【结果】重组菌株在木糖代谢基因转录、酶活性和木糖利用性能方面有很大差异,其中ZQ5木糖代谢能力最强,ZQ7其次,ZQ1木糖利用能力最弱。ZQ7在初始木糖浓度为20 g/L时木糖利用速率快于ZQ5,表明木糖浓度对重组菌发酵性能评价具有影响。【结论】不同菌株的遗传背景和木糖浓度对重组菌木糖利用的影响很大,评价重组酵母的木糖利用需考虑宿主的遗传背景和底物浓度的影响。     

利用不同启动子控制木糖代谢关键酶基因构建可共代谢葡萄糖木糖重组酿酒酵母

利用不同强度的启动子调控木糖代谢关键酶活性,构建稳定代谢葡萄糖和木糖产乙醇的重组酿酒酵母。以本实验室专利菌株Saccharomyces cerevisiae Y5为宿主菌,将树干毕赤酵母Pichia stipitis CBS6054的木糖还原酶基因XYL1和木糖醇脱氢酶基因XYL2置于磷酸甘油酸激酶基因启动子(PGKp)控制下,酿酒酵母Y5内源的木酮糖激酶基因XKS1分别由己糖激酶基因启动子(HXK2p)及其内源启动子(XKS1p)控制。这3个基因连同各自表达元件导入宿主细胞中,打通其木糖上游代谢途径。酶活测定结果显示,HXK2p对木酮糖激酶表现出更强的启动效率。重组菌Y5-X3-1中木糖还原酶/木糖醇脱氢酶/木酮糖激酶(XR/XDH/XK)的酶活比值为1∶5∶4,其木糖消耗量是宿主菌的5倍,最高乙醇产量为24.35 g/L,达到理论值的73%。结果表明,通过调节XYL1、XYL2及XKS1启动子的强度,调控其表达水平,进而改变3种酶的活性水平,对于提高重组酿酒酵母利用木糖发酵产乙醇有明显效果。     

Lysine 21突变对树干毕赤氏酵母木糖还原酶辅酶依赖性的影响

木糖还原酶是重组酿酒酵母工程菌利用木糖生成乙醇代谢途径中的关键酶, 该关键酶在利用木糖时依赖NADPH而不是NADH是导致酿酒酵母代谢木糖生成乙醇的最终产率低的主要原因之一。为了改变树干毕赤氏酵母木糖还原酶的辅酶依赖性, 对它的第21位赖基酸Lys进行了突变。利用质粒载体pET28b分别将突变后的基因K21A-XYL1、K21R-XYL1及野生基因WT-XYL1在大肠杆菌E. coli BL21(DE3)中进行表达, 表达后的蛋白经His-Tag纯化柱纯化后测定酶学性质。结果表明: K21R突变子的辅酶依赖性没有改变, 但K21A突变子的辅酶依赖性由NADPH完全逆转为NADH。     

Lysine 21突变对树干毕赤氏酵母木糖还原酶辅酶依赖性的影响

木糖还原酶是重组酿酒酵母工程菌利用木糖生成乙醇代谢途径中的关键酶, 该关键酶在利用木糖时依赖NADPH而不是NADH是导致酿酒酵母代谢木糖生成乙醇的最终产率低的主要原因之一。为了改变树干毕赤氏酵母木糖还原酶的辅酶依赖性, 对它的第21位赖基酸Lys进行了突变。利用质粒载体pET28b分别将突变后的基因K21A-XYL1、K21R-XYL1及野生基因WT-XYL1在大肠杆菌E. coli BL21(DE3)中进行表达, 表达后的蛋白经His-Tag纯化柱纯化后测定酶学性质。结果表明: K21R突变子的辅酶依赖性没有改变, 但K21A突变子的辅酶依赖性由NADPH完全逆转为NADH。     

代谢木糖和葡萄糖的重组酿酒酵母的构建

为使酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）YS58代谢木糖产乙醇,采用PCR方法克隆得到树干毕赤酵母（Pichia stipitis）木糖醇脱氢酶基因xy12,并将该基因和克隆得到的休哈塔假丝酵母（Candida shehatae）缺终止子的木糖还原酶基因xyl1一起连接到酵母表达载体pYES2的强启动子GAL下,得到融合表达载体pYES2-P12。通过醋酸锂转化的方法将pY-ES2-P12转入S.cerevisiae YS58中,得到S.cerevisiae YS58-12。利用所构建的重组酿酒酵母进行术糖发酵实验,结果表明该重组酵母能发酵木糖,使木糖利用率得到进一步提高,最高达到81．3％,而且能代谢木糖产生乙醇。     

嗜热细菌木糖异构酶基因xylA在酿酒酵母中的高效表达

采用PCR技术克隆得到嗜热细菌Clostridium thermohydrosulfuricum木糖异构酶(xylose isomerase XI)基因xylA,将该基因连接于酵母表达载体pMA91的磷酸甘油激酶(PGK)启动子下,得到重组质粒pBX1。通过LiAc完整细胞转化法将重组质粒转移至酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)H158受体菌中,得到重组酵母转化子H612,酶活测定结果表明,成功地在酿酒酵母中得到木糖异构酶的活性表达。SDSPAGE电泳结果显示出明显的特异性表达产物带,单体分子量为43kD。由酿酒酵母重组子H612产生的木糖异构酶最高酶活条件与其在自然状态下的一致,均为85℃,pH70,在这一条件下酶的比活力为10U/mg蛋白,而在接近酵母最适生长温度的30℃和40℃时,其相对酶活分别下降37%和11%。研究结果显示在酿酒酵母中得到木糖异构酶的活性表达,为进一步在酿酒酵母菌中建立新的木糖代谢途径打下了基础。     

粗糙脉孢霉酸性蛋白酶基因的克隆与鉴定

以粗糙脉胞霉CICIM F00021染色体DNA为模板,通过PCR扩增得到粗糙脉胞霉酸性蛋白酶结构基因。对其序列进行了测定和分析,表明扩增得到的片段为酸性蛋白酶基因。将扩增出的酸性蛋白酶基因克隆入酵母表达载体中获得重组质粒pPIC9K-ap。将其转化入毕赤氏酵母获得重组菌NA3。重组酸性蛋白酶在pH4．0和45℃下表现出最高活性。     

粗糙脉孢霉酸性蛋白酶基因的克隆与鉴定*

以粗糙脉胞霉CICIM F00021染色体DNA为模板,通过PCR扩增得到粗糙脉胞霉酸性蛋白酶结构基因。对其序列进行了测定和分析,表明扩增得到的片段为酸性蛋白酶基因。将扩增出的酸性蛋白酶基因克隆入酵母表达载体中获得重组质粒pPIC9K-ap。将其转化入毕赤氏酵母获得重组菌NA3。重组酸性蛋白酶在pH4·0和45oC下表现出最高活性。     

系列过表达非氧化磷酸戊糖途径基因对重组酿酒酵母菌株木糖代谢的影响

【目的】通过系统研究一个、两个及多个非氧化磷酸戊糖(PP)途径基因组合过表达对酿酒酵母木糖代谢的影响,以优化重组菌株的构建过程,构建高效的木糖代谢酿酒酵母菌株。【方法】在酿酒酵母中双拷贝过表达上游代谢途径的关键酶(木糖还原酶XR,木糖醇脱氢酶XDH,木酮糖激酶XKS),在此基础上构建了一系列PP途径基因过表达菌株,并对其木糖发酵性能进行比较研究。【结果】木糖发酵结果显示,不同组合过表达PP途径基因能不同程度改善重组菌株的木糖发酵性能。其中,过表达PP途径全部基因(RKI1,RPE1,TAL1和TKL1)使菌株的发酵性能最优,其乙醇产率和产量较对照菌株分别提高了39.25%和12.57%,同时较其他基因组合过表达菌株也有不同程度的改善。【结论】通过构建PP途径基因不同组合过表达酿酒酵母菌株,首次对PP途径基因对酿酒酵母木糖代谢的影响进行了系统研究,结果表明,不同组合强化PP途径基因对重组菌株木糖代谢的影响存在差异,相对于其他基因过表达组合,同步过表达PP途径全部基因最有利于碳通量流向乙醇。     

木酮糖激酶基因整合表达载体构建及在酿酒酵母中的过表达

【目的】以载体p406ADH1为构建骨架,构建一个酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)工业菌株的整合表达载体。【方法】通过酶切连接的方式,将4个元件片段:作为筛选标记的G418抗性基因KanR,用于基因表达的ADH1终止子片段,酿酒酵母W5自身木酮糖激酶基因,18S rDNA介导的同源整合区,插入到骨架质粒p406ADH1中,得到多拷贝整合表达载体pCXS-RKTr。将该载体线性转化酿酒酵母后,对转化子中木酮糖激酶酶活进行测定,检测其表达情况。【结果】重组质粒在酿酒酵母体内实现了木酮糖激酶的高水平稳定表达,其酶活力是初始菌株的2.87倍。【结论】本实验构建了一个酿酒酵母工业菌株整合表达载体,并用此载体过表达了其自身的木酮糖激酶基因。该重组质粒载体的构建可以有效解决酿酒酵母中自身木酮糖激酶酶活较低的情况,这为利用木糖高产乙醇酿酒酵母基因工程菌株的构建和其它酵母重组质粒载体的构建奠定基础。     

在酿酒酵母中共表达XYLA和XKS1基因后利用木糖的初步研究

为了使酿酒酵母较好地利用木糖产生乙醇,将来自Thermus thermophilus的木糖异构酶基因XYLA和酿酒酵母自身的木酮糖激酶基因XKS1,构建到酵母表达载体pESC-LEU中,导入酿酒酵母YPH499中,同时成功表达了两种酶基因。该菌以木糖为唯一碳源进行限氧发酵,木糖的利用率为9.64%,为宿主菌的4.17倍,产生2.22 mmol.L-1的乙醇。同时初步探讨了两种酶基因的表达量对酿酒酵母发酵木糖生成乙醇的影响。木糖异构酶对木糖的利用起关键性的作用,木酮糖激酶的过量表达不利于乙醇生成。     

可同化阿拉伯糖的木糖还原酿酒酵母菌株构建

[目的] 以秸秆等木质纤维素类生物质为原料生产液体生物燃料乙醇,目前生产成本高,大规模工业化生产尚有较大难度。构建能同化阿拉伯糖进行木糖还原生产木糖醇的重组酿酒酵母菌株,以实现原料中全糖利用、生产高附加值产品,实现产品多元化。[方法] 首先,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术依次向出发菌株中导入阿拉伯糖代谢途径和木糖还原酶基因,使菌株获得代谢阿拉伯糖和将木糖转化为木糖醇的能力;其次,通过适应性驯化的进化工程手段,提高重组菌株对阿拉伯糖的利用效率;最后,通过混合糖发酵验证重组菌株利用阿拉伯糖和还原木糖产木糖醇的能力。[结果] 通过导入植物乳杆菌的阿拉伯糖代谢途径,酿酒酵母菌株获得了较好的利用阿拉伯糖生长繁殖的能力;进一步导入假丝酵母的木糖还原酶基因后,重组菌株在葡萄糖作为辅助碳源条件下可高效还原木糖产木糖醇,但阿拉伯糖的利用能力下降。利用以阿拉伯糖为唯一碳源的培养基进行反复批次驯化,阿拉伯糖的利用能力得以恢复和提升,得到表型较好的重组菌株KAX3-2。该菌株在木糖（50 g/L）和阿拉伯糖（20 g/L）混合糖发酵条件下发酵72 h时,对阿拉伯糖和木糖利用率分别达到42.1%和65.9%,木糖醇的收率为64%。[结论] 本研究成功构建了一株能有效利用阿拉伯糖并能将木糖转化为木糖醇的重组酿酒酵母菌株KAX3-2,为后续构建、获得阿拉伯糖代谢能力更强、木糖醇积累效率更高菌株的工作奠定了基础。     

稳定遗传的染色体组合整合酿酒酵母重组菌株的构建

染色体整合表达可获得稳定遗传的基因工程菌,是工业酿酒酵母育种的重要手段。pAUR135整合载体是抗生素标记基因可循环使用的载体,添加特定的同源臂后可构建在酵母染色体上稳定遗传的菌株。目前对酵母菌的分子育种常需要对多个基因进行过表达,利用pAUR135载体可将不同基因分别整合在不同染色体或相同染色体的不同位点,这种组合整合表达方法可对不同基因的表达强度比例进行调节,构建表型优化的工业酿酒酵母菌株。本研究以木糖代谢途径基因为例,构建了3个pAUR135整合载体,将3个木糖代谢基因依次整合到工业酿酒酵母染色体的不同位点,获得了染色体组合整合表达的代谢工程菌株。与将这3个基因整合在同一个位点的对照重组菌株相比,染色体组合整合的重组菌株木糖利用率提高了24.4%–35.5%。多基因染色体组合整合方法从新的角度对工业酵母进行代谢工程改造,所获得的工程菌株不带有任何外来基因和选择标记,可以保持性状的稳定,是工业酿酒酵母分子育种的新方法。