罗氏真养菌W50的D-木糖代谢途径工程改造

【目的】拓宽高产聚-β-羟基丁酸酯(poly-β-hydroxybutyrate,PHB)罗氏真养菌(Ralstonia eutropha)W50的碳源使用范围,使其获得D-木糖代谢能力。【方法】运用PCR技术扩增大肠杆菌(Escherichia coli)K-12W3110来源的D-木糖转运蛋白基因xylE,利用同源重组技术将xylE基因整合到R.eutropha W50的染色体上构建菌株W50-E。运用PCR技术扩增E.coli K-12 W3110来源的D-木糖代谢基因xylAB和R.eutropha H16来源的PHA合酶基因phaC1的启动子片段P pha C1,同表达载体连接后构建重组质粒p1-AB。将重组质粒分别转入菌株R.eutropha W50和W50-E中构建工程菌株W50-AB和W50-EAB。通过摇瓶发酵研究W50-AB和W50-EAB的D-木糖代谢特性。【结果】酶活分析结果表明,xylA和xylB基因在菌株R.eutropha W50中得到表达。摇瓶发酵结果表明,W50-AB在含0.1 mol/L D-木糖的基础发酵培养基中的最大比生长速率为0.025 h-1,在含0.01 mol/L D-木糖的基础发酵培养基中没有生长;W50-EAB在含0.01 mol/L D-木糖的基础发酵培养基中表现出一定生长,在含0.1 mol/L D-木糖的基础发酵培养基中最大比生长速率为0.035 h-1。PHB含量分析结果表明,摇瓶发酵终点时,W50-AB和W50-EAB菌株内的PHB含量分别为细胞干重的15.07±1.01%和15.07±1.64%,其相应的D-木糖-PHB转化率分别为0.0920 g·g-1和0.0838 g·g-1,低于两重组菌株利用葡萄糖发酵的糖-PHB转化率(0.22 g·g-1)。另外,重组菌株W50-AB和W50-EAB在含葡萄糖(0.01 mol/L)和D-木糖(0.09 mol/L)的混合糖培养基中的发酵结果表明,两重组菌株均表现出更高的生长速率和D-木糖消耗速率以及胞内PHB积累量。【结论】来源于E.coli K-12W3110菌株的xylAB基因的表达使R.eutropha W50获得了一定的D-木糖代谢能力,通过D-木糖转运蛋白基因xylE的表达能提高菌株的D-木糖代谢能力,同时重组菌株利用D-木糖能积累一定量PHB。     

重组菌Ralstonia eutropha W50-EAB D-木糖代谢相关的限速靶点

【目的】通过代谢工程改造真养罗氏菌(Ralstonia eutropha)W50-EAB木糖代谢的相关限速靶点,进一步提高R.eutropha W50-EAB的D-木糖利用效率,为获得高效利用纤维素水解液的菌株奠定基础。【方法】利用PCR技术扩增R.eutropha转酮酶基因tkt A,cbb T2和转醛酶基因tal,将扩增的tkt A,cbb T2和tal基因分别构建到表达载体p BBR1MCS-3上,获得重组质粒p WL1-TKT,p WL1-CBBT2,p WL1-TAL。通过电转的方式将质粒分别转化W50-EAB获得重组菌W50-KAB,W50-CAB和W50-TAB。利用基因敲除的方法,获得醛还原酶基因h16_A3186敲除株W50’-EAB。通过电转的方式将重组质粒p WL1-TAL导入敲除株W50’-EAB获得重组菌株W50’-TAB。通过摇瓶发酵研究重组菌株W50-KAB,W50-CAB,W50-TAB,W50’-EAB以及W50’-TAB的发酵特性。【结果】酶活分析结果表明,转酮酶和转醛酶基因实现表达。摇瓶发酵结果表明,转酮酶基因过表达菌株W50-KAB和W50-CAB相比于对照菌株W50-EAB/p3,表现出降低的木糖利用能力;而转醛酶基因过表达重组菌株W50-TAB以及敲除菌株W50’-EAB对木糖的利用得到一定的提高。在0.1 mol/L木糖的发酵培养基中,W50-EAB的最大比生长速率为0.035 h-1,PHB干重比为16.2±1.01%;而W50-TAB的最大比生长速率提高到0.039 h-1,PHB干重比达到20.5±0.76%;醛还原酶基因敲除菌株W50’-EAB最大比生长速率提高到0.040 h-1,PHB含量提高到19.8±1.05%。结果显示转醛酶基因的过表达与醛还原酶基因的敲除对木糖利用均表现出一定的优势,将这两种优势组合获得菌株W50’-TAB,摇瓶发酵分析结果为最大比生长速率达到0.042 h-1,PHB积累达到27.9±0.47%,相比于对照菌株提高了72.2%。另外,在含有葡萄糖(0.01 mol/L)和木糖(0.09 mol/L)的混合糖培养下,重组菌株W50-TAB,W50’-EAB和W50’-TAB相比于在纯木糖培养下都表现出更高的生物量和胞内PHB积累量。【结论】磷酸戊糖途径关键酶转醛酶基因的过表达加速了木糖代谢流,从而可以高效利用木糖积累一定量的PHB。醛还原酶对木糖代谢有阻碍作用,敲除该酶基因后木糖代谢能力有了一定的提高,而两者协同作用可以进一步提高重组菌株的木糖利用效率和PHB积累能力。     

酿酒酵母异源表达纤维二糖转运蛋白LacY与纤维二糖利用菌株的构建北大核心

【目的】在酿酒酵母体内设计代谢通路,使酿酒酵母能利用纤维素水解产物纤维二糖生产乙醇。【方法】首先,用大肠杆菌DH5α总DNA为模板克隆编码大肠杆菌乳糖透过酶的LacY基因。为过表达LacY基因,以质粒YEplac181作为载体,将酿酒酵母PGK1p强启动子加到LacY基因之前,CYC1t终止子加到LacY基因之后,构建质粒YEplac181-PGK1p-LacY-CYC1t。之后,将纤维二糖转运蛋白LacY表达质粒和β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase,BGL)表达质粒pRS316-PGK1p-gh1-1-CYC1t依次转入野生型酿酒酵母W303-1A中,使野生型酿酒酵母W303-1A异源表达可转运纤维二糖的LacY蛋白和β-葡萄糖苷酶GH1-1,构建可利用纤维二糖的酿酒酵母工程菌W303-1A GL。最后,通过发酵测定酿酒酵母工程菌W303-1A GL的纤维二糖利用情况和乙醇产量,并对纤维二糖代谢通路中纤维二糖酶活力进行测定。【结果】本研究构建了纤维二糖转运蛋白LacY和β-葡萄糖苷酶GH1-1协同表达的酿酒酵母工程菌W303-1AGL。W303-1AGL可以有效利用纤维二糖发酵生产乙醇,W303-1A GL发酵24 h时乙醇产量达到3.25 g/L,得率为0.325 g乙醇/g纤维二糖,利用葡萄糖产乙醇理论得率为0.511 g乙醇/g纤维二糖,达到葡萄糖产乙醇理论得率的64%,细胞密度最高在第54 h达到OD600=10.84,胞内β-葡萄糖苷酶的酶活在72 h最高,可达到0.51 U/mg。【结论】本研究成功构建了能有效利用纤维二糖的重组酿酒酵母工程菌W303-1A GL,为提高纤维素乙醇生产效率、降低纤维素乙醇生产成本提供了新思路。     

马克斯克鲁维酵母GX-UN120糖转运蛋白基因的克隆及表征

【背景】马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)具有完整的木糖代谢途径,可以高效利用木质纤维素中的木糖,因此对其糖转运蛋白基因的研究或可有效解决酵母木糖转运的相关问题。【目的】根据马克斯克鲁维酵母DMKU3-1042中KLMA＿70145和KLMA＿80101基因位点的功能预测,获得马克斯克鲁维酵母GX-UN120相应的糖转运蛋白基因序列并探究其功能。【方法】将转运蛋白基因分别克隆表达至酿酒酵母EBY.VW4000中考察重组菌株生长特性,以此间接评价对应转运蛋白的转运能力。【结果】Km＿SUT2基因编码的糖转运蛋白可有效提高宿主细胞转运木糖、阿拉伯糖、山梨糖、核糖、乳糖和葡萄糖的能力,但却不能转运甘露糖、果糖、蔗糖和半乳糖。类似地,Km＿SUT3基因编码的糖转运蛋白可提高细胞转运木糖、阿拉伯糖、山梨糖、半乳糖、核糖、乳糖和葡萄糖的能力,但却不能转运甘露糖和果糖。然而在葡萄糖存在的条件下,重组菌株对各种碳源的利用均受抑制,但Km＿SUT3转运木糖和核糖过程中受葡萄糖的抑制作用较小。【结论】马克斯克鲁维酵母GX-UN120中转运蛋白Km＿SUT2和Km＿SUT3可...     

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。     

破坏细胞壁蛋白CWP2基因提高重组酿酒酵母β-葡萄糖苷酶胞外酶活

【背景】重组酿酒酵母广泛应用于生产工业酶和药用蛋白,但是目前仍旧存在异源蛋白产量低、分泌效率差的问题,限制了生产应用。【目的】提高重组酿酒酵母异源分泌蛋白的能力,构建高效的异源蛋白生产细胞工厂。【方法】采用基于CRISPR/Cas9的基因组编辑技术,以生产β-葡萄糖苷酶的重组酿酒酵母Y294-BGL为出发菌株,构建细胞壁蛋白基因CWP2破坏菌株。【结果】与出发菌株相比,破坏CWP2的破坏菌株在发酵96 h时胞外β-葡萄糖苷酶酶活可提高53%,胞内酶活提高了208%。此外,破坏菌生长未受到影响,对弱酸等环境胁迫的耐性没有下降,未造成过多内质网胁迫。进一步检测发现,破坏菌株胞内活性氧水平下降,同时蛋白胞内运输和分泌途径相关的关键基因表达转录及多个细胞壁生物合成相关基因表达下降。【结论】破坏细胞壁蛋白基因CWP2能够提高异源蛋白β-葡萄糖苷酶的胞外酶活,可作为促进酿酒酵母生产异源蛋白的靶点基因。     

德利用工程植物生产可生物降解的塑料

Agrieell Reporter 2003年40卷3期19页报道：已知利用编码β-酮硫解酶（pha A）、乙酰乙酰辅酶A还原酶（phaB）和3-羟基丁酸聚酯（PHB）合酶（pha C）的三种基因细菌（Ralstonia eutropha）的顺序性作用,可使其合成理化特性类似于人工合成聚合物的PHB。由于这种PHB可以生物降解,故认为其可用作工业上生产塑料的原材料。     

钝齿棒杆菌GlnK在氮代谢调控及L-精氨酸合成中的功能

【目的】钝齿棒杆菌是重要的氨基酸生产菌株,本研究针对氮代谢PⅡ信号转导蛋白GlnK展开相关功能研究,分析其在钝齿棒杆菌氮代谢调控及L-精氨酸合成中的作用。【方法】以GlnK蛋白为研究对象,通过基因敲除等遗传方法获得过表达、敲除及敲弱glnK的重组钝齿棒杆菌,研究GlnK对NH_4~+吸收的影响,通过RT-qPCR和酶活测定,从转录水平和蛋白水平上揭示GlnK对氮代谢和L-精氨酸合成相关基因表达水平及酶活的影响,通过5-L发酵罐发酵产L-精氨酸研究GlnK对L-精氨酸合成的影响。【结果】过表达glnK能明显促进NH_4~+的吸收,而敲除glnK后则会抑制NH_4~+的摄取;RT-qPCR和酶活测定发现,相比于野生型菌株Cc5-5,glnK过表达菌株Cc-glnK中与铵吸收相关的基因,表达量平均上调约4.58倍,L-精氨酸合成基因簇中基因的表达水平平均上调1.50倍。Cc-glnK中氮代谢相关蛋白的酶活平均提高46.97%;L-精氨酸合成途径上7个关键酶的酶活平均提高30.00%;5-L发酵罐发酵各重组菌株结果表明,Cc-glnK菌株的产量可达49.53 g/L,产率为0.516 g/(L·h),相比于出发菌株Cc5-5,其L-精氨酸产量提高了28.65%。【结论】过表达GlnK能促进NH_4~+的吸收及利用,并通过影响L-精氨酸合成途径上关键基因的表达水平,提高关键酶的酶活,最终提高L-精氨酸的产量。本研究为后续探索钝齿棒杆菌氮代谢调控机制及代谢工程改造钝齿棒杆菌生产L-精氨酸提供了一种新的策略。     

Enzymatic synthesis of D-tagatose from lactose with the combination of β-galactosidase and L-arabinose isomerase

将大肠杆菌K-12中的β-半乳糖苷酶基因lacZ和L-阿拉伯糖异构酶基因araA以串联方式克隆到载体pET-28a(+)上,并转入大肠杆菌BL21( DE3)中进行表达.通过SDS-PAGE分析发现,重组菌株能表达出大量可溶性β-半乳糖苷酶蛋白和L-阿拉伯糖异构酶蛋白.以重悬菌液为酶源,可将乳糖降解为D-半乳糖,并将D-半乳糖转化为D-塔格糖.在温度为50℃,pH 7.0的缓冲液中,经一段时间反应后,D-塔格糖的转化率可达21％以上.加入Mn2+、Co2+和Fe2+均能够使D-塔格糖的转化率提高.     

过表达pps基因和aroG~(fbr)基因对北京棒杆菌L-色氨酸合成的影响

【目的】通过增加北京棒杆菌(Corynebacterium pekinense)PD-67芳香族氨基酸合成的前体物质磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)的供应,解除终产物对芳香族氨基酸合成途径中第一个酶同时也是关键酶3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖-7-磷酸合酶(DS)的反馈抑制并提高抗反馈抑制的DS的活力,使碳流更多地流向芳香族氨基酸合成途径,从而积累更多L-色氨酸。【方法】运用PCR技术扩增北京棒杆菌PD-67磷酸烯醇式丙酮酸合酶基因pps,与表达载体连接构建重组质粒pXPS;运用重叠PCR技术定点突变大肠杆菌(Escherichia coli)受苯丙氨酸调控的DS基因aroG,使相应的编码氨基酸序列发生突变:Leu175Asp,新的基因命名为aroGfbr,与表达载体连接构建重组质粒pXA;构建pps和aroGfbr的共表达重组质粒pXAPS。将3个重组质粒分别转入菌株PD-67,构建工程菌株PD-67/pXPS、PD-67/pXA和PD-67/pXAPS。通过摇瓶发酵研究工程菌株的发酵特性。【结果】酶活分析结果表明,pps基因和aroGfbr基因在北京棒杆菌PD-67中均实现了表达。工程菌株PD-67/pXA粗酶液DS抗反馈抑制分析表明,AroGfbr已解除酪氨酸和苯丙氨酸的反馈抑制。过表达pps基因和aroGfbr基因分别使工程菌L-色氨酸产量提高12.1%和26.8%,双基因共表达可使工程菌的产酸量提高35.9%。【结论】北京棒杆菌PD-67pps基因的过表达以及大肠杆菌来源的解除反馈抑制的aroGfbr的过表达均有助于增加PD-67 L-色氨酸的合成,而双基因的共表达可以进一步提高L-色氨酸的积累量。