重组大肠杆菌高效催化合成γ-氨基丁酸

[目的]实现重组大肠杆菌高效合成γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)。[方法]构建表达谷氨酸脱羧酶的基因工程菌Escherichia coli p ET-GAD,对催化工艺进行初步优化,实现高效催化L-谷氨酸脱羧反应合成GABA。[结果]在谷氨酸脱羧酶的表达过程中,维生素B6盐酸吡哆醇(PN)可以替代5-磷酸吡哆醛(PLP)作为辅酶补给,提高工程菌E. coli p ET-GAD的催化活力。在50 m L反应体系中,重组细胞浓度为8 mg/m L,底物浓度为200 mmol/L,在35℃、p H 4. 4条件下反应2 h,L-谷氨酸的转化率 98%。为了提高GABA的生产效率,采用谷氨酸/谷氨酸钠分批补料方式控制反应过程中的p H值,GABA的最终浓度达到247 g/L。[结论]重组大肠杆菌可以高效催化合成γ-氨基丁酸,为基因工程菌工业化制备GABA提供实验依据。     

高产γ-氨基丁酸的谷氨酸棒杆菌工程菌的构建和发酵条件优化

为了实现γ-氨基丁酸(GABA)在微生物中"一步法"高效生产,本研究构建出一株高产GABA的谷氨酸棒杆茵工程菌ATCC 13032/pDXW10-gadB1-gadB2,可以直接将自身合成的L-谷氨酸转变成GABA,并对该工程茵的发酵培养基和发酵条件进行了初步优化。结果表明:培养7 h~8 h的种子液按发酵起始OD_(562)=1.6转接至发酵培养基(葡萄糖、玉米浆分别100 g/L、4 g/L),10 h添加PLP至O.1 mmol/L,发酵结束后胞外GABA可达(26.39±1.68)g/L。为工业化"一步法"生产GABA提供理论和实验基础。     

一株重组大肠杆菌/pET-28a-lpgad的构建及其高效生产γ-氨基丁酸转化条件的优化

为实现微生物法高效率生产γ-氨基丁酸(GABA),从一株经多次诱变筛选的具有较高谷氨酸脱羧酶(GAD)活力植物乳杆菌GB 01-21全基因组DNA中PCR扩增获得GAD酶基因lpgad,构建重组质粒pET-28a-lpgad,在大肠杆菌E.coli BL21(DE3)中高效诱导表达。并采用Ni柱亲和层析纯化获得重组GAD,并对其酶学性质进行初步研究,为改良转化工艺提高GABA产量提供可靠理论依据。结果显示,重组大肠杆菌中GAD酶活显著提高,可达8.53 U/mg,是植物乳杆菌GB 01-21中GAD酶活的4.24倍。将该重组菌应用于转化L-谷氨酸生产GABA,5 L发酵罐水平转化24 h产量可达143.5 g/L,摩尔转化率为97.32%,是植物乳杆菌GB 01-21的2.19倍。纯化后酶学性质进行初步研究表明:其最适pH为4.8;最适温度为37℃;Ca2+、Mg2+对其有较强的激活作用,将上述实验结果用于转化条件的优化,最终5 L发酵罐上进行转化实验,批次添加底物L-谷氨酸共600 g,转化24 h,GABA累计浓度可达204.5 g/L,摩尔转化率为97.92%,与最初转化条件相比,GABA浓度提高了42.5%,为其工业化应用打下了良好的基础。     

植物乳杆菌谷氨酸脱羧酶催化pH范围的理性改造及高效转化生产g-氨基丁酸

γ-氨基丁酸可由谷氨酸脱羧酶(glutamate decarboxylase, GAD)催化谷氨酸一步合成,反应体系成分简单、环境友好。然而,绝大多数GAD酶催化pH偏酸性且反应范围狭小,需要加入无机盐维持最适催化环境,增加了生产附加成分。此外,随着产物γ-氨基丁酸的生成,溶液pH会逐渐上升,不利于GAD酶的持续转化。本研究首先从实验室保藏的一株高产γ-氨基丁酸的植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)中克隆得到谷氨酸脱羧酶LpGAD,基于酶蛋白表面电荷修饰,选择9个位点进行定点突变及组合突变,酶学性质表征结果显示三突变体LpGAD^{S24R/D88R/Y309K}在催化pH区间内酶活力整体提高,尤其拓宽了在偏中性pH 6.0下的酶活,为野生酶的1.68倍。接下来,通过分子动力学模拟解析了酶活提高的机理。此外,将Lpgad与Lpgad^{S24R/D88R/Y309K}突变基因分别在谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum) E01中过表达,通过优化确定了摇瓶最适转化条件为反应温度40 ℃,菌体量OD₆₀₀=20,底物L-谷氨酸100.0 g/L,5-磷酸吡哆醛添加量为100 μmol/L。5 L发酵罐中,不调节pH,通过分批投料底物L-谷氨酸,γ-氨基丁酸产量高达402.8 g/L,较对照菌株提高了1.63倍。本研究成功拓宽了LpGAD的pH催化范围及酶活,提高了γ氨基丁酸的转化效率,为实现其规模化工业生产奠定了基础。     

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。     

重组精氨酸脱亚胺酶制备L-瓜氨酸的工艺条件优化

将来源于Pseudomonas putida ACCC 10185的ADI编码基因克隆到表达载体p ET-24a(+)中,转化Escherichia coli BL21(DE3),通过超声波破碎得到粗酶液,酶活检测ADI酶活为26 U/m L发酵液。对酶转化L-精氨酸盐酸盐生成L-瓜氨酸的反应条件进行了优化,结果表明,当底物L-精氨酸盐酸盐浓度650 g/L,反应初始p H6.0,温度37℃,加酶量24 U/g底物,转速100-200 r/min,转化时间7 h,L-瓜氨酸转化率达到100%,是目前国内外报道的酶法制备L-瓜氨酸的最高水平。     

谷氨酸脱羧酶结构及催化机制的研究概述

谷氨酸脱羧酶(glutamate decarboxylase,GAD)是一种磷酸吡哆醛(pyridoxal-5′-phosphate,PLP)依赖性酶,广泛存在于自然界的动植物和微生物中,在酸性环境下发生结构变化,不可逆地催化L-谷氨酸或谷氨酸盐α-脱羧生成γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)。γ-氨基丁酸在人体中作为一种抑制性神经递质,具有重要的生理功能,可以被广泛应用于食品和制药工业中。本文就谷氨酸脱羧酶结构及催化机制的研究进展进行概述。     

环氧树脂固定化L-谷氨酸氧化酶

通过环氧树脂作为载体对经(NH4)2SO4盐析处理后的L-谷氨酸氧化酶(LGOX)进行固定化,优化固定化工艺条件,并利用固定化LGOX转化产α-酮戊二酸(α-KG)。结果表明:饱和度45%的(NH4)2SO4为最佳盐析浓度;当选用环氧树脂ES-105作为固定化载体、树脂加量为20 m L酶液(14 U/m L)加入3.5 g载体、固定化K3PO4缓冲液浓度为0.2 mol/L(p H 7.0)、固定化温度25℃、固定化时间24 h时,固定化LGOX酶活力最高,其酶活回收率为85.9%,比酶活55.7 U/g。利用该固定化酶转化L-谷氨酸产α-KG,当谷氨酸钠质量浓度为100 g/L,反应20 h,产物收率达98.2%。固定化酶重复使用14批次后,产物收率仍有90%以上;重复使用20批,收率有83.2%。因此,该固定化酶具有具良好的操作稳定性。     

谷氨酸氧化酶高产菌株的筛选鉴定及催化生产α-酮戊二酸

采用简易的偶联终点显色反应(Trinder显色反应),从土壤中分离出高产谷氨酸氧化酶(LGOX)的菌株不透明红球菌Rhodococcus opacus FMME1-41,并对此菌株的产酶特性进行研究。结果表明:该菌株所产LGOX主要分泌在发酵液中,对L-谷氨酸具有较强的底物专一性,最适pH 6.5,最适温度为35℃,Mn~(2+)是该酶的激活剂。通过发酵培养基优化,培养30 h时LGOX活力达到6.4 U/m L。利用该酶转化L-谷氨酸生产α-酮戊二酸,在最佳转化条件下转化20 h,α-酮戊二酸产量达到91.2 g/L,转化率为91.8%,α-KG生产强度为4.56 g/(L·h)。     

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.     

谷氨酸棒杆菌L-天冬氨酸α-脱羧酶在大肠杆菌中的表达及酶转化生产β-丙氨酸

【目的】克隆谷氨酸棒杆菌来源L-天冬氨酸α-脱羧酶基因, 实现其在大肠杆菌中的异源表达, 并进行酶转化L-天冬氨酸合成β-丙氨酸的研究。【方法】PCR扩增谷氨酸棒杆菌L-天冬氨酸α-脱羧酶基因pand, 构建表达载体pET24a(+)-Pand, 转化宿主菌大肠杆菌BL21(DE3), 对重组菌进行诱导表达, 表达产物经DEAE离子交换层析和G-75 分子筛层析纯化后进行酶学性质研究, 然后进行酶转化实验, 说明底物和产物对酶转化的影响。【结果】重组菌SDS-PAGE分析表明Pand表达量可达菌体总蛋白的50%以上, AccQ·Tag法检测酶活达到94.16 U/mL。该重组酶最适反应温度为55 °C, 在低于37 °C时保持较好的稳定性, 最适pH为6.0, 在pH 4.0?7.0范围内有较好的稳定性。酶转化实验说明: 底物L-天冬氨酸和产物β-丙氨酸对转化反应均有抑制作用; 实验建立了较优的酶转化反应方式, 在加酶量为每克天冬氨酸3 000 U时, 以分批加入固体底物L-天冬氨酸的形式, 使100 g/L底物转化率达到97.8%。【结论】重组L-天冬氨酸α-脱羧酶在大肠杆菌中获得高效表达, 研究了酶转化生产β-丙氨酸的影响因素, 为其工业应用奠定了基础。     

富锌产γ-氨基丁酸乳酸菌的筛选及初步鉴定

用含0.2%-0.25%Zn^2＋的MRS培养基从发酵酸菜、酸奶中分离出6株具富锌能力细菌,经形态和生理生化特性鉴定,初步判断菌株为乳酸菌。采用纸层析检测MRSG培养基培养的6株菌上清液后,初步确定有4株能产γ-氨基丁酸。以此4菌株基因组为模板PCR扩增到540 bp的片段,经测序和序列分析,证明是谷氨酸脱羧酶基因高度保守区域,初步证明谷氨酸脱羧酶基因的存在。此4株菌发酵液经HPLC检测和分析后,证实2号菌株能转化谷氨酸钠生成GABA,产量为4.8 g/L,在应用方面具有很大的潜力。     

生物法制备γ-氨基丁酸过程中细胞的转化特性研究

利用含谷氨酸脱羧酶的细胞转化味精制备γ-氨基丁酸,并测试了该细胞的转化特性。结果显示该细胞最适反应温度为44℃,最适反应pH为4. 6;反应体系中细胞浓度越高,损失的转化活力越低。此外,对反应体系施加外源的真空度,可使细胞转化活力有所提高。5-磷酸吡哆醛是该细胞的必要辅因子,L-谷氨酸可以代替味精作为底物被利用转化成γ-氨基丁酸。     

生物合成γ-氨基丁酸曲霉菌株的选育、紫外诱变和发酵条件的研究

从自然发酵的红曲中分离筛选到1株曲霉菌株,其菌丝体可以谷氨酸钠为底物转化富集γ-氨基丁酸(GABA),经初步鉴定该菌株为米曲霉(Aspergillus oryzae)。以该菌株的孢子为对象进行紫外诱变,初筛得到8株产GABA活力不同的菌株,复筛后获1株GABA的产量较高的突变菌株As-8。菌株As-8转化富集GABA的适宜条件为:pH 6.0,以蔗糖为碳源,蛋白胨为唯一氮源或蛋白胨和牛肉膏为复合氮源。产生的GABA含量最高可达4.2g/L,并能稳定遗传。     

猪脑谷氨酸脱羧酶的分离纯化以及生物学活性鉴定

L-谷氨酸脱羧酶是γ-氨基丁酸合成的关键限速酶,广泛的存在于脊椎动物神经细胞以及β-胰腺细胞,是胰岛素依赖型糖尿病(IDDM)病人以及僵硬综合症(SMS)病人血清的关键抗原。运用sephamryl S-200以及DEAEsepharose可以从猪脑中分离纯化出谷氨酸脱羧酶。纯化的GAD在变性条件下电泳,经考马斯亮蓝R250染色以及Western-Blot鉴定主要有两条带,分子量分别为67kD和44kD。根据L-谷氨酸脱羧酶能够分解谷氨酸产生γ-氨基丁酸和CO2的特性,通过测定产物γ-氨基丁酸推断酶活。以上实验结果表明从猪脑中分离纯化到的是具有生物学活性以及免疫原性的谷氨酸脱羧酶,可进一步改良为IDDM检测试剂盒,用于IDDM的预防和预测。     

里氏木霉Cel5A基因优化及其在毕赤酵母中的高效表达

内切纤维素酶Cel5A缺乏是限制纤维素酶制剂高效酶解天然纤维素的关键因素。本文尝试构建高效表达里氏木霉Cel5A的毕赤酵母重组菌株以弥补目前Cel5A的天然分泌不足,通过基因密码子偏好性优化里氏木霉Cel5A基因和构建表达载体p PIC9K-eg2,并将其电转入毕赤酵母GS115以构建重组子,利用浓度梯度平板和摇瓶发酵筛选获得一株高产毕赤酵母Pichia pastoris菌株GS115-EGⅡ。重组酶的酶学性质分析显示,该酶分子量50 k Da、最适p H(p H 4.5)略有降低及最适反应温度为60℃,专一性地作用于非结晶纤维素,与天然里氏木霉Cel5A并无明显区别。通过摇瓶发酵的初步优化,该菌摇瓶培养条件:培养温度28℃、起始p H 5.0、接种量2%、每24 h添加甲醇1.5%(V/V)、每24 h添加山梨醇4 g/L及吐温80添加4 g/L,发酵192 h重组酶酶活达到24.0 U/m L。进一步上罐(5 L)发酵180 h,该重组酶Cel5A酶活高达270.9 U/m L,蛋白含量达到4.16 g/L。重组毕赤酵母P.pastoris GS115-EGⅡ是一株适合于外源表达Cel5A的工程菌,该重组酶可替代天然分泌Cel5A适用于当前酶基生物炼制模式下木质纤维素基质高效水解中。     

Pseudomonas sp.F-12发酵优化及转化合成半胱氨酸的研究

通过不同发酵策略对Pseudomonas sp.F-12以DL-2-氨基-△2-噻唑啉-4-羧酸(DL-ATC)为底物生产L-半胱氨酸的过程进行优化,以分批发酵和指数流加发酵的形式进行生产,将发酵过程中的DL-ATC浓度分别控制在5 g/L和15 g/L。结果表明15 g/L DL-ATC分批发酵生产L-半胱氨酸得到最高酶活为149.1 U/mL,比活为70.9 U/mg DCW;采用15 g/L DL-ATC两阶段指数流加发酵,可使最高酶活达到313.3 U/mL,提高为分批发酵的2.1倍。同时在两阶段发酵过程中,能减少DL-ATC用量为5 g/L。两阶段发酵过程采用不同流加策略,证明菌体得率对酶活水平有显著影响。首次考察了Pseudomonas sp.F-12全静息细胞转化合成L-半胱氨酸的主要影响因素。结果表明Pseudomonas sp.F-12的最适转化pH为8.0,最适转化温度为30℃。加入甲苯等有机溶剂改变细胞膜通透性,使得半胱氨酸产量比对照组提高7.16倍,最高摩尔转化率达到93.3%。不同金属离子对转化影响不同,0.1 mmol/L Fe2+对转化反应有促进作用,0.1 mmol/L Co2+、Zn2+、Ni2+等重金属离子有抑制作用。研究结果为微生物法发酵及全细胞转化合成半胱氨酸的后续工业化奠定了基础。     

偶联基于酮还原酶的NADH再生系统一锅法酶催化合成L-2-氨基丁酸

以廉价易得的L-苏氨酸为原料,利用在大肠杆菌中重组表达的苏氨酸脱氨酶和亮氨酸脱氢酶,并偶联基于酮还原酶的NADH再生系统一锅法制备L-2-氨基丁酸。以L-2-氨基丁酸的产率为指标,考察了一锅法酶催化制备L-2-氨基丁酸的最适p H、L-苏氨酸浓度及异丙醇浓度。在最适p H 7.5~8.0,L-苏氨酸浓度50g/L,添加5%的异丙醇及0.5g/L NAD+,分别加入0.6g/L苏氨酸脱氨酶、2g/L亮氨酸脱氢酶及2g/L酮还原酶,反应20h,可实现L-2-氨基丁酸的摩尔产率为99%,产量为43g/L。该结果为L-2-氨基丁酸的制备提供了一种新的思路。     

比色法快速测定乳酸菌谷氨酸脱羧酶活力及其应用

基于Berthelot显色测定ω-氨基酸的反应 ,探讨了比色法快速测定谷氨酸脱羧酶活力的测定条件。结果表明 ,该方法灵敏度较高 ,重现性好 ,成本低 ,快捷 ,可替代氨基酸分析仪分析法。对乳酸菌谷氨酸脱羧酶提取液的适宜反应底物体系为 0.2mol LMacIlvaine ,pH4.7,内含 0.1mmol LPLP (5 磷酸吡哆醛 ) ,10mmol L底物L MSG (L 谷氨酸钠 )。 2 0 0 μL底物溶液和 1～ 1 0 0 μL酶液在 3 0℃反应 ,然后冰浴中加入 2 0 0 μ/L 0.     

MntH与含锰过氧化氢酶共表达基因工程菌的构建与发酵优化

构建Mn2+转运蛋白MntH与来源于Thermus thermophilus HB27的含锰过氧化氢酶的共表达基因工程菌,并进行了发酵培养基及培养环境条件的优化,确定培养基中最佳的碳氮源种类及其浓度分别为:甘油7.0 g/L,酵母粉3.75 g/L和蛋白胨11.25 g/L;当培养基中的Mn2+浓度为1 mmol/L时,最佳的IPTG诱导浓度为0.05 mmol/L。此外,最佳的培养基初始p H值及培养温度分别为:p H 8.0和37℃,在最优发酵条件下工程菌摇瓶发酵培养24 h,过氧化氢酶活最高可达476 U/m L是未优化前3倍。在5 L发酵罐的验证实验中,过氧化氢酶的酶活进一步提高至1 094 U/m L。