The Genus Gluconobacter Oxydans: Comprehensive Overview of Biochemistry and Biotechnological Applications

ABSTRACT

The genus Gluconobacter comprises some of the most frequently used microorganisms when it comes to biotechnological applications. Not only has it been involved in “historical” production processes, such as vinegar production, but in the last decades many bioconversion routes for special and rare sugars involving Gluconobacter have been developed. Among the most recent are the biotransformations involved in the production of L-ribose and miglitol, both very promising pharmaceutical lead molecules. Most of these processes make use of Gluconobacter's membrane-bound polyol dehydrogenases. However, recently other enzymes have also caught the eye of industrial biotechnology. Among them are dextran dextrinase, capable of transglucosylating substrate molecules, and intracellular NAD-dependent polyol dehydrogenases, of interest for co-enzyme regeneration. As such, Gluconobacter is an important industrial microbial strain, but it also finds use in other fields of biotechnology, such as biosensor-technology. This review aims to give an overview of the myriad of applications for Gluconobacter, with a special focus on some recent developments.     

L-山梨糖提高木霉纤维素酶合成速率机制的研究

在0.5％葡萄糖-Mandels盐培养液中添加终浓度为0.5％的L-山梨糖,可使里斯木霉(Trichoderma reesei C 30)和拟康氏木霉(Trichoderma pseudokoningii S38)的内切和外切β-1,4葡聚糖酶合成速率在培养的2天内提高4倍。与此同时β-葡萄糖苷酶的合成没有明显变化。L-山梨糖能明显抑制菌丝生长,但对葡萄糖的吸收没有影响,对菌丝分泌纤维素酶的机制影响不大。其对酶合成的促进可能主要是通过降低了菌丝体的生长速率。     

山梨糖发酵产生2—酮基—L—古龙酸氮源代谢规律

对山梨糖发酵产生2-酮基-L-古龙酸氮源代谢规律进行了初步研究。通过对这一混合发酵体系蛋白和尿素代谢的研究表明,氮源代谢与单一菌体发酵相比有其特殊性,主要表现在尿素的加入有两个作用,即作为生理碱性物质调节体系pH和为菌体代谢提供部分氮源,而体系的蛋白含量随发酵时间的延续不断增加,其增加的原因是巨大芽孢杆菌由营养体转变成芽孢所致,这是该发酵体系的特点。本文还对该发酵体系各种氨基酸变化规律进行了讨论,将一共17种氨基酸按其变化规律分成了三类,较好地解释了各种氨基酸的变化情况,为进一步深入研究该体系的动力学特性提供了数据基础。     

快速定量分析发酵过程中2-酮基-L-古龙酸的HPLC方法

本文建立了利用高效液相色谱法定量分析L-山梨糖发酵过程中主产物2-酮基-L-古龙酸含量的方法。色谱柱为Nuclesoil-N(CH_3)_2 5μm;流动相为0.01M KH_2PO_4,用2％H_3PO_4调到pH=4.0,流速为1ml/min,检测器为示差折光仪(RI)。在该条件下色谱峰面积与进样的2-酮基-L-古龙酸含量之间呈线性相关,相关系数R=0.9965,最小检出量为0.1％。检测结果与采用碘量法分析结果一致。经多次使用,证明该方法简单可靠,能准确及时地判断L-山梨糖发酵的终点。     

2—KLG产生菌混合发酵特性及最佳混生模式的研究

氧化葡萄糖酸杆菌合成的2－KLG对巨大芽孢杆菌的生长繁殖具有明显的抑制作用,可缩短其生长周期。发酵体系中巨大芽孢杆菌的存在是氧化葡萄糖酸杆菌的生长繁殖和合成2－KLG所必需的,发酵过程中巨大芽孢杆菌裂解所释放的活性物质可能是刺激氧化葡萄糖酸杆菌合成2－KLG的主要原因。二菌混合发酵需在适宜的混生模式下才可达到最佳效果。     

醇醛脱氢酶的分离纯化及其基因文库的构建和筛选

在维生素C的发酵生产过程中,普通生酮基古龙酸菌S2(Ketogulonigenium vulgare)能产生醇醛脱氢酶,将L-山梨糖转化为VC的前体2-酮基-L-古龙酸(2-KLG)。通过超声波破碎菌体、硫酸铵分级沉淀、DEAE Sepharose Fast Flow阴离子交换层析,QSepharose High Performance柱层析等过程,从普通生酮基古龙酸菌S2发酵液中分离纯化了醇醛脱氢酶,并用该纯化酶免疫新西兰兔制备出了合格抗血清。同时,普通生酮基古龙酸菌S2基因组DNA经Sau3AⅠ部分酶切后,与黏粒载体pKC505连接,用包装蛋白进行包装,转染大肠杆菌DH5浕,构建了基因组文库。最后应用免疫酶斑点技术(Dot-ELISA)从12000个克隆子中筛选得到一个阳性克隆K719#。通过检测该基因工程菌的活性,表明K719#具有使L-山梨糖转化为2-KLG的功能,从而使醇醛脱氢酶在大肠杆菌中获得了高效表达,这为简化VC的生产工艺奠定了基础。     

生黑醋酸杆菌在高浓度山梨醇下的半连续发酵特性

目的：调节生黑醋酸杆菌生物和代谢特性,以提高发酵效率。方法：通过改变种液特性,采用半连续培养的方式,对生黑醋酸杆菌在高醇浓度下的生长特性进行了研究。结果：通过优化可以提高VC一步发酵底物山梨醇浓度达38%,32h左右发酵率达95%,山梨糖产量达360mg/ml,半连续培养连续5批之间产糖稳定,没有明显差别。结论：通过优化,有效地提高了山梨糖的产率。     

L-山梨糖流加发酵高效生产2-酮基-L-古龙酸

实验充分利用混合菌系氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacter oxydans)和蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus)混合发酵的优良特性,通过在发酵过程中间歇流加L-山梨糖的方法,实现了在自动控制温度、pH和溶氧的条件下,高效发酵L-山梨糖生成2-酮基-L-古龙酸(2-KLG)的目的。结果表明：当将L-山梨糖的终浓度调高到14％(w／v)时,2-KLG产量为130mg／mL左右,转化率达90％,发酵周期40—60h之间。结论：发酵过程中间歇流加L-山梨糖可以解除高浓度糖对产酸的抑制作用,提高了糖的转化率,但是发酵周期略有延长。     

酮古龙酸菌WB0104中L-山梨糖脱氢酶的分离和性质研究

从两步法生产维生素C重要前体2-酮基-L-古龙酸(2-Keto-L-gulonic acid, 简称2-KLGA)的第二步转化菌酮古龙酸菌Ketogulonigenium sp.WB0104的细胞质中,经SP- Sepharose Fast Flow、DEAE-CL6B和凝胶过滤的方法,分离到了L-山梨糖脱氢酶(L-Sorbose Dehydrogenase , 简称SDH),质谱测定该酶分子量为60.499kd,而用凝胶过滤法测定其分子量为139.053±4.96kd,由此推测该酶为具有两个相同亚基的二聚体;辅基分析表明SDH含有辅基pyrroloquinoline quinone(PQQ).以L-山梨糖(L-Sorbose)为底物,2, 6-Dichlorophenolindophenol(DCIP)为电子受体,SDH具有明显的脱氢酶活性;以L-Sorbose为底物的Km值为23.94mmol/L.在无细胞体系中,在phenazine methosulfate (PMS)存在的情况下,SDH能将底物L-Sorbose直接转化为2-KLGA.     

醇醛脱氢酶的分离纯化及其基因文库的构建和筛选

在维生素C的发酵生产过程中,普通生酮基古龙酸菌S₂（Ketogulonigenium vulgare)能产生醇醛脱氢酶,将L-山梨糖转化为VC的前体2-酮基-L-古龙酸（2-KLG）。通过超声波破碎菌体、硫酸铵分级沉淀、DEAE Sepharose Fast Flow阴离子交换层析,Q Sepharose High Performance柱层析等过程,从普通生酮基古龙酸菌S₂发酵液中分离纯化了醇醛脱氢酶,并用该纯化酶免疫新西兰兔制备出了合格抗血清。同时,普通生酮基古龙酸菌S₂基因组DNA经Sau3AⅠ部分酶切后,与黏粒载体pKC505连接,用包装蛋白进行包装,转染大肠杆菌DH5ɑ,构建了基因组文库。最后应用免疫酶斑点技术（Dot-ELISA）从12 000个克隆子中筛选得到一个阳性克隆K719^#。通过检测该基因工程菌的活性,表明K719^#具有使L-山梨糖转化为2-KLG的功能,从而使醇醛脱氢酶在大肠杆菌中获得了高效表达,这为简化VC的生产工艺奠定了基础。