乙酸合成途径阻断及NADH氧化酶表达对于谷氨酸棒杆菌生产乙偶姻的影响

【目的】研究乙酸合成途径阻断及NADH氧化酶表达对于谷氨酸棒杆菌生产乙偶姻的影响。【方法】在谷氨酸棒杆菌CGF2中异源表达als SD操纵子构建乙偶姻生产菌株CGT1,考察敲除乙酸生成途径cat和pqo对乙偶姻的影响。然后引入短乳杆菌的NADH氧化酶,在优化的溶氧条件下研究其对乙偶姻产量的影响。【结果】CGT1在摇瓶发酵中可积累6.27 g/L乙偶姻,敲除cat使乙偶姻产量显著提高30.94%,达到8.21 g/L;双敲除cat和pqo没有进一步提高产量。通过优化发酵的溶氧水平,乙偶姻产量达到10.06 g/L。在高溶氧水平下引入NADH氧化酶导致菌株的生长和糖代谢速率提高,但乙偶姻产量略有降低。在分批补料发酵中,重组菌株乙偶姻产量达到40.51 g/L,产率为0.51 g/(L?h)。【结论】在谷氨酸棒杆菌中阻断乙酸合成途径cat能够有效提高乙偶姻产量,NADH氧化酶在高溶氧水平下表达不利于乙偶姻的合成,需要进一步调节表达水平以确定其效果。     

分枝杆菌细胞裂解液催化甾体激素C_(1,2)位脱氢反应的研究

9β,11β-环氧-17α,21-二羟基-16β-甲基孕-1,4-二烯-3,20-二酮(Ⅳ)是生产9-氟甾体激素的关键前体,以9β,11β-环氧-17α,21-二羟基-16β-甲基孕-4-烯-3,20-二酮-21-醋酸酯(Ⅰ)为底物合成Ⅳ是工业化生产Ⅳ的重要方法。通过比较分枝杆菌全细胞转化法与细胞裂解液转化法,发现分枝杆菌全细胞只能将Ⅰ转化为9β,11β-环氧-17α,21-二羟基-16β-甲基孕-4-烯-3,20-二酮(Ⅱ),而细胞裂解液可以有效地将Ⅰ转化为Ⅳ,其反应机制为底物Ⅰ自发水解为中间体Ⅱ,Ⅱ在C_(1,2)位脱氢酶(KSTD)的催化作用下发生C_(1,2)位脱氢反应生成产物Ⅳ。为进一步提高产物Ⅳ的转化率,利用基因工程手段在分枝杆菌中分别过表达编码KSTD的关键基因:kst D、kst D3和kstD_M,提高脱氢反应效率,结果表明1 g/L底物Ⅰ在pH7.0的重组菌株MS136-kst D_M细胞裂解液中反应45h,Ⅳ的转化率为78.4%,比出发菌株提高了38.9%;并优化缓冲液pH,提高反应速率,结果表明1 g/L底物Ⅰ在pH7.5的重组菌株MS136-kstD_M细胞裂解液中反应45 h,Ⅳ的转化率为92.8%,比出发菌株提高了63.4%。     

CRISPR/Cas9系统研究进展

CRISPR/Cas9系统的发展彻底改变了人们编辑DNA序列和调控目标基因表达水平的能力,从而为生物体的精确基因组编辑提供了有力的工具。简化后的CRISPR/Cas9系统由两部分组成:Cas9蛋白和sgRNA。其作用原理为sgRNA通过自身的Cas9把手与Cas9蛋白形成Cas9-sgRNA复合体,Cas9-sgRNA复合体中sgRNA的碱基互补配对区序列与目标基因的靶序列通过碱基互补配对原则进行配对结合,Cas9利用自身的核酸内切酶活性对目标DNA序列进行切割。与传统的基因组编辑技术相比,CRISPR/Cas9系统具有几大明显的优势:易用性、简便性、低成本、可编程性以及可同时编辑多个基因。CRISPR/Cas9基因组编辑技术以及衍生出来的CRISPRi和CRISPRa基因表达调控技术已经广泛应用于多种真核和原核生物中。综述了CRISPR/Cas9系统的起源、作用机理、在生物体中的应用和其衍生出的技术,并概述了其脱靶效应和未来前景。     

人工酵母后鲨烯路径基因对7-脱氢胆固醇合成的影响

酵母内源后鲨烯路径中的固醇类物质,是异源甾体类药物合成的重要前体。为了通过微调后鲨烯路径,与异源模块进行适配,以期达到提高异源甾体类化合物表达的目的,以维生素D₃的直接前体-7-脱氢胆固醇(7-DHC)的合成为例,首先在固醇C-24甲基转移酶(ERG6)缺失的酿酒酵母BY4742中,通过导入人源固醇C-24 还原酶DHCR24,并过表达截短的羟甲基戊二酰辅酶A还原酶tHMGR,获得可以合成7-DHC的人工酵母。在此基础上,将后鲨烯路径分割并构建成ERG1、ERG7、ERG11、ERG24-25-26-27和ERG2-3这5个模块,分别在所构建的7-DHC合成菌株中过表达。通过GC-TOF/MS分析7-DHC以及后鲨烯路径中相关代谢中间体的含量,并结合主成分分析发现,过表达不同后鲨烯模块会引起后鲨烯路径上固醇组分的变化而最终影响7-DHC的产量:与出发菌株相比,过表达ERG11模块会显著强化其他固醇物质到酵母固醇的转化;而过表达ERG2-3模块则会减少鲨烯的积累,同时显著增加羊毛固醇及其之后的固醇组分的含量,并获得迄今为止7-DHC在微生物中摇瓶水平的最高产量。因此,对ERG11和ERG2-3的表达优化对7-DHC的合成以及后鲨烯路径代谢流的强化起到了显著的作用,是后续优化人工7-DHC合成酵母的潜在靶点。为研究后鲨烯路径与其他异源甾体合成模块间的适配,提供了可供参考的案例。     

多质粒共转化组合筛选方法构建木糖利用酿酒酵母的研究

快速得到目标代谢路径相关基因的大量组合以及实现组合库的高效筛选,是合成生物学领域中一个重要的研究内容。建立了三质粒共转化酵母菌株组合筛选方法并以XR-XDH木糖代谢路径在酿酒酵母中的应用为例进行阐释。首先利用Yeast Golden Gate连接法在三种不同表达载体上构建不同启动子控制下的XR、XDH、XK单个基因的表达盒,然后直接用三质粒共转化系统构建100种不同组合的重组酵母。经过木糖平板初筛筛选出16个能利用木糖的组合,将这16个组合对应的三基因表达模块组装至同一表达载体后转化底盘菌株,再通过限氧发酵进行复筛,最终筛选出木糖代谢能力、木糖醇和乙醇生成速率最优菌株Sc-LQH35（TDH3p-XR-ACS2t-FBA1p-XDH-ENO2t-PDC1p-XK-ASC1t）,在培养基中含有20 g/L木糖的条件下,其木糖醇产量为7.14 g/L,乙醇产量为5.92 g/L,而菌株Sc-LQH39（TDH3p-XR-ACS2t-FBA1p-XDH-ENO2t-ZEO1p-XK-ASC1t）则表现出较强的木糖醇生产能力,特别在限氧发酵时,其木糖醇得率可高达0.71 g/g。三质粒共转化组合筛选方法实现了木糖利用菌株的灵活构建和快速筛选,并成功得到具有优良木糖利用性能的酿酒酵母菌株,表明其在重组菌株的构建和筛选工作中有一定的应用价值。     

大肠杆菌异源合成三萜化合物研究进展和前景分析

三萜化合物具有可观的药用价值和经济价值,但是目前的生产过程复杂、产量低,利用微生物异源合成三萜化合物已成为当前研究趋势,大肠杆菌作为常用萜类合成底盘细胞具有异源合成三萜化合物及其前体的天然优势和研究前景。对三萜化合物微生物异源合成研究进展进行了综述,从三萜化合物合成代谢途径、关键酶的特点及大肠杆菌三萜表达模块和底盘细胞适配三个方面对该途径进行了阐述和分析,针对实现大肠杆菌高效合成三萜类化合物所需要解决的基础问题进行讨论,为扩展大肠杆菌作为三萜化合物合成底盘细胞提供建议和前景分析。     

甲烷氧化菌20Z利用Embden-Meyerhof-Parnas途径高效同化甲烷

为了探究γ-变形菌纲 (Gammaproteobacteria) 甲烷氧化菌Methylomicrobium alcaliphilum 20Z的甲烷同化代谢过程。文中整合RNA-seq、LC-MS技术并结合13C标记策略对核酮糖单磷酸途径 (Ribulose monophosphate pathway) 及下游途径展开系统组学分析。M. alcaliphilum 20Z代谢物组定量分析表明Entner-Doudoroff (EDD) 途径的中间代谢物6-磷酸葡萄糖的浓度是(150.95±28.75) μmol/L,2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸浓度低于质谱定量分析检测限,而Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) 途径中果糖1,6-二磷酸、甘油醛-3-磷酸/二羟丙酮磷酸和磷酸烯醇式丙酮酸的浓度分别是 (1 142.02±302.88) μmol/L、(1 866.76±388.55) μmol/L和 (3 067.57±898.13) μmol/L。通过EDD和EMP途径的代谢物13C同位素动态富集研究,进一步揭示3位标记丙酮酸丰度是1位标记丙酮酸丰度的4~6倍。最后,基因表达比较分析发现EMP途径的关键基因 (如：fbaA、tpiA、gap和pykA) 的表达水平 (RPKM) 分别是2 479.2、2 493.9、2 274.6和1 846.0,而EDD途径中基因 (如：pgi、eda和edd) 的RPKM仅是263.8、341.2和225.4。综合上述结果阐明EMP途径才是M. alcaliphilum 20Z进行甲烷同化的关键通路。EMP途径代谢功能的全新阐述不但改变对Gammaproteobacteria甲烷氧化菌甲烷同化模式的传统认知,而且为甲烷高效生物催化转化提供重要的理论基础。     

人工微生物混菌系统机制解析中的组学应用及进展

人工微生物混菌系统的生物工程应用价值日益受到重视,使得对于混菌系统中成员菌间的相互作用机制研究也成为近年来的一个热点.其研究结果一方面可以为现有人工混菌系统的进一步优化提供理论依据,另一方面也为全新混菌系统的人工构建提供新的思路和策略,进而促进人工微生物混菌系统未来规模化应用.基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等...     

微生物发酵法生产环磷酸腺苷研究进展

环磷酸腺苷(3',5'-cyclic adenosine monophosphate,cAMP)是普遍存在于生物机体内并起着十分重要作用的生理活性物质,称为第二信使。cAMP于1957年被首次发现报道,随后因为它在生命活动中的特殊地位和作用而被大量研究,外源性cAMP早在上世纪70年代就已开发成人类临床药物,在动物生产领域也有极大的潜在应用价值。目前已知临床用cAMP原料药全部由化学法合成。而微生物发酵法生产菌种则以节杆菌、枯草芽孢杆菌和酵母为代表;运用代谢调控机理和技术,用节杆菌发酵生产cAMP的产量据报道已达≥7.23 g/L,用枯草芽孢杆菌也已达到6~7g/L,而酵母作为典型的模式生物,虽然cAMP-PKA信号转导途径基础研究历史悠久,但发酵生产cAMP则近几年才有报道。目前,除了进一步改造菌株、优化发酵技术提高产量和解决分离提纯问题外,充分发挥微生物发酵法的潜力和优势、弥补化学法合成的不足,是赢得其产业化契机的关键。     

山梨酮脱氢酶模块与酮古龙酸杆菌底盘细胞的适配分析

酮古龙酸杆菌Ketogulonigenium vulgare是维生素C二步混菌发酵过程中的产酸菌。山梨酮脱氢酶(L-sorbosone dehydrogenase,缩写为SNDH)作为维生素C直接前体2-酮基-L-古龙酸(2-KGA)合成的关键酶,其作用机制并不十分清楚。借助全基因组测序抽提2个山梨酮脱氢酶基因,分别位于基因组(缩写为sndhg)和质粒(缩写为sndhp)上。通过工程化改造技术在工业产酸菌中构建山梨酮脱氢酶功能模块,比较其对2-KGA产量的影响。研究发现sndhg过表达对菌株产酸影响不明显,sndhp过表达使菌株明显产生副产物。将sndhg和sndhp分别配合辅因子PQQ合成基因pqq A,分别构建sndhg-pqq A和sndhp-pqq A模块,得到的工程菌株产酸情况与之前的结果大致相同。将4株K.vulgare工程菌株分别与内生芽孢杆菌Bacillus endophyticus混合培养传代50 d后,分离菌株进行混菌发酵,其2-KGA的转化率分别提高了15.4%、179%、0.65%和125%。表明混菌适应性进化策略是一种增加功能模块与底盘细胞适配性,进而快速获得优良性状菌种的有效方法。