代谢工程改造酿酒酵母生产β-胡萝卜素

β-胡萝卜素在食品、药品和化妆品领域有广泛用途。为获得生产β-胡萝卜素的微生物细胞工厂,本研究首先在酿酒酵母BY4742中过表达甲羟戊酸(MVA)途径的限速酶3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGR)基因及二萜化合物合成的关键酶牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶(GGPS)基因,来提高牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸(GGPP)的供给。在酿酒酵母底盘菌BY4742-T2的基础上整合来源于成团泛菌和红法夫酵母的β-胡萝卜素合成基因,比较酿酒酵母工程菌生产β-胡萝卜素的差别。结果表明提高酿酒酵母中HMGR和GGPS酶基因的表达能将工程菌中β-胡萝卜素的产量提高26.0倍。另外,来源于真核生物红法夫酵母的合成基因相比成团泛菌,更有利于酿酒酵母生产β-胡萝卜素。最终获得的酿酒酵母工程菌BW02能生产1.56 mg/g细胞干重的β-胡萝卜素,为进一步获得高产β-胡萝卜素细胞工厂提供基础。     

植物β-胡萝卜素羟化酶研究进展

-β胡萝卜素羟化酶是植物类胡萝卜素合成代谢中的关键酶,它催化了植物中β-胡萝卜素经中间产物β-隐黄素合成玉米黄素的过程。β-胡萝卜素羟化酶广泛存在于植物、蓝藻和细菌等生物中,其基因在植物中成对出现,在原核生物中则处于基因簇内。该酶是一种非血红素双铁单加氧酶,分子中有富含组氨酸的模体。多种生物的β-羟化酶基因已被克隆并分别在细菌、蓝藻或植物中表达。玉米黄素能帮助植物抵御胁迫环境,β-隐黄素对癌症等人类疾病有抑制作用。采用基因工程手段改造β-羟化酶基因,将为培养高抗逆性作物和大规模生产β-隐黄素提供新途径。     

代谢工程改造甘油代谢途径提高β-胡萝卜素产量

甘油是生物柴油的副产物,因其价格低廉和高还原性,成为生物发酵的重要碳源。为了进一步提高工程菌对甘油的利用能力,从而提高萜类化合物的合成能力,本研究从β-胡萝卜素高产菌CAR015出发,对其甘油代谢途径的多个基因进行了调控。首先敲除了编码3-磷酸甘油抑制子的glp R基因,然后分别用M1-37、M1-46和M1-93三个不同强度的人工调控元件对glp FK、glp D和tpi A三组基因进行单基因调控和多基因组合调控。研究发现用M1-46调控glp D基因后β-胡萝卜素产量达到了64.82 mg/L,是CAR015的4.86倍,甘油消耗速率也提高了100%;调控tpi A基因后β-胡萝卜素产量略有提高;调控glp FK基因后β-胡萝卜素产量略有降低。说明Glp D是甘油代谢途径中的关键限速步骤。Q-PCR结果表明,降低甘油代谢途径的glp D和glp FK基因转录水平,增加tpi A基因转录水平,可以增加细胞生长速度、提高β-胡萝卜素产量,可能是因为减少了丙酮醛毒性所致。组合调控glp D和tpi A基因,获得β-胡萝卜素产量最高菌株Gly003,其β-胡萝卜素产量达72.45 mg/L、产率达18.65 mg/g每克干细胞,分别是出发菌株CAR015的5.23倍和1.99倍。总之,Glp D是甘油代谢途径中的关键限速步骤,适当强度调控glp D,可以有效提高重组大肠杆菌的β-胡萝卜素产量。     

细胞膜合成途径模块化调控与形态改造提高大肠杆菌β-胡萝卜素的积累与产量

β-胡萝卜素是类胡萝卜素家族中的典型代表,属于疏水性较强的化合物,前期研究表明,改变细胞膜形态以及增加3-磷酸甘油二酯的供给,均可容纳更多的β-胡萝卜素,从而提高其产量。然而在之前的研究中,没有对细胞膜的磷脂中主要组分磷脂酰乙醇胺的合成途径对β-胡萝卜素积累的影响进行系统的讨论。本研究将磷脂酰乙醇胺的合成途径分为上中下游3个模块,对它们的多种表达组合策略进行比较。首先过表达了上游模块1,菌株CAR016的β-胡萝卜素的产量与单位细胞的β-胡萝卜素产量均有显著提高,分别可达到44 mg/L以及13.7 mg/g DCW。与对照菌株相比,分别提高30.5%与35.6%。过表达磷脂酰乙醇胺合成的中游模块,β-胡萝卜素的产量以及单位细胞的β-胡萝卜素的产量分别为103.5 mg/L DCW与19.8 mg/g DCW。与对照菌株CAR016(pACYC184-M)相比,分别提高1.4倍与53.5%。将上游模块1与中游模块2共表达,菌株CAR016(pModule1,pModule2)单位细胞的β-胡萝卜素产量为22.3 mg/g DCW。与CAR016(pModule2)相比,单位细胞产量提高18%,与出发菌株CAR016(pTrc99A-M,pACYC184-M)相比,单位细胞的β-胡萝卜素产量提高122%。本研究找到了磷脂酰乙醇胺合成途径表达的最优组合策略,可以产生更大量的细胞膜,为储存β-胡萝卜素提供了更多的空间,从而进一步提高β-胡萝卜素的产量。细胞膜形态和合成途径的模块化改造,是今后提高类胡萝卜素产量的新方向。     

生物合成3-羟基丙酸的代谢工程研究进展

3-羟基丙酸(3-HP)作为一种重要的平台化合物,以此为底物能够合成多种具有商业潜质的生物制品。野生菌合成3-HP产量较低,严重限制3-HP的大规模应用与生产,通过改造合成代谢通路的相关基因,构建以廉价底物为碳源的工程菌株,实现降低生产成本提高产量的目的。文中将对近年来国内外通过代谢工程合成3-羟基丙酸的研究进展进行概述,并对甘油途径、丙二酸单酰辅酶A途径、β-丙氨酸等途径合成3-HP的优缺点进行总结分析,对3-HP未来发展前景进行展望。     

合成支架在代谢工程中的研究进展

代谢工程作为通过引入外源合成途径或改造优化代谢网络,进行高附加值的天然代谢产物生物合成的技术,已经得到广泛应用。但随着目标合成产物的结构日渐复杂,构建多基因的从头合成途径造成宿主生物代谢失衡与中间产物对宿主细胞产生毒害作用等一系列问题发生的可能性也随之增加。为解决这些问题合成支架策略应运而生,合成支架将途径酶共定位以提高局部酶和代谢物的浓度,来增强代谢通量并限制中间产物与宿主细胞环境间的相互作用,成为生物催化和合成生物学研究的热点之一。尽管由核酸、蛋白质构成的合成支架策略已经应用于多种代谢物的异源合成,并取得了不同程度的成功,但合成支架的精确组装仍然是一项艰巨的任务。文中详细介绍了合成支架技术的研究现状,详细阐述了合成支架技术的原理和实例,并初步探讨了其应用前景。     

RBS文库调控重组大肠杆菌β-胡萝卜素合成途径关键基因提高β-胡萝卜素合成能力

β-胡萝卜素属于类胡萝卜素家族的一员,在药品、保健品、化妆品和食品行业有广泛的应用。本研究通过用RBS文库对重组大肠杆菌CAR005中β-胡萝卜素合成途径的关键基因dxs、idi和crt操纵子进行调控来提高β-胡萝卜素合成能力。研究发现3个基因分别用RBS文库调控后,与起始菌株相比β-胡萝卜素产量最高分别有7%、11%和17%的提高,表明使用RBS文库调控比使用多个固定强度启动子调控能筛选到更有利于目标产品合成的基因表达强度。三基因组合调控后,β-胡萝卜素产量相对于CAR005菌株提高了35%。同时发现,单基因文库筛选到的最优强度对于组合调控来说,未必是最优强度。本研究为利用基因表达调控优化目标产物合成途径提供了一种新的方案。     

喷雾干燥β-胡萝卜素微胶囊化工艺研究

β-胡萝卜素是所有类胡萝卜素中含量最多、生物活性最大和研究最多的一种。但它极不稳定,易氧化变质而失去生理活性。本文采用微胶囊技术,选用明胶与蔗糖作为复合壁材,对β-胡萝卜素进行喷雾干燥微胶囊化,探讨其主要工艺参数。通过单因素分析、正交实验等得出了最佳工艺条件为壁材中明胶与蔗糖的比例为3：17,喷雾干燥进风温度190℃,喷雾压力0．1MP,进料速度为5mL/min.     

植物β-胡萝卜素羟化酶的生物信息学分析

采用生物信息学方法对GenBank中的拟南芥、玉米、龙胆、福寿草和水仙等植物β-胡萝卜素羟化酶(BCH)的核苷酸和氨基酸序列进行了比对分析,进而对其组成成分、理化性质、信号肽、亚细胞定位、疏水性/亲水性、跨膜结构域、功能结构域、基序及蛋白质二级结构等重要参数进行了预测和分析。结果表明,BCH基因全长约为1256bp,具有完整的开放阅读框,长约为943bp,编码313个氨基酸,分子量为34.82kD,理论等电点为9.18,含量最丰富的氨基酸都包含Ala(10.34%)、Leu(8.7%)和Gly(8.1%);无信号肽,定位于叶绿体中的亲水性不稳定蛋白,含有3-4个跨膜结构域,一个功能结构域,二级结构均以α-螺旋和无规则卷曲为主要构件。     

产β-胡萝卜素酿酒酵母工程菌的构建

以酿酒酵母SaccharomycescereviaiaeBY4742为宿主菌,利用DNA组装（DNAassemble）技术,向宿主菌导入了β-胡萝卜素合成途径,表达了源自Xanthophyllomycesdendrorhous的CrtE,Cn馏和CrtI3个基因,获得了一株染色体整合型工程菌株HCCB08531,β-胡萝卜素产量达3．68mg／g干重。     

酿酒酵母中高效积累β-胡萝卜素的代谢途径构建

β-胡萝卜素是一种橘黄色的脂溶性色素，属于类胡萝卜素家族，基于其丰富的生物学活性，在食品、医药、化妆品等领域具有广泛的应用。国内外对β-胡萝卜素市场需求量巨大，特别是天然来源的β-胡萝卜素具有广阔的市场前景，建立适合天然β-胡萝卜素生产的微生物细胞工厂显得尤为重要。本研究利用基因工程手段克隆了β-胡萝卜素生物合成途径中的三个基因，分别是来源于酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的香叶基香叶基焦磷酸合成酶基因(ScBTS1)、红法夫酵母(Xanthophyllomyces dendrorhous)的八氢番茄红素脱氢酶基因(XdCrtI)以及同时具有八氢番茄红素合成酶和番茄红素环化酶的双功能酶基因(XdCrtYB),构建组成型表达载体pYES2-Kan-CrtI-CrtYB-BTS1,并转化至酿酒酵母MKP-o中，最终筛选获得能够生产β-胡萝卜素的酿酒酵母基因工程菌株。结果显示，此工程菌摇瓶产量达到14.53 mg/g细胞干重(DCW)且发酵周期短，不仅可以稳定高效地积累β-胡萝卜素，同时发酵过程中无需添加诱导剂，有利于节约生产成本。因此，可以将其作为一株具有较高β...     

合成生物学与代谢工程

随着DNA重组技术的日趋成熟,代谢工程的理论和应用已经得到了迅速发展。合成生物学是近年来蓬勃发展的一门新兴学科,在许多领域都具有重要的应用。以下从改造细胞代谢的关键因子、代谢途径的调节和宿主细胞与代谢途径构建的关系等方面详细讨论了合成生物学的最新进展和合成生物学在代谢工程领域的应用。     

通过番茄红素环化酶的优化构建β-胡萝卜素高产菌株

目标产物的合成途径往往需要对关键酶的来源、表达水平等因素进行系统性优化才能实现代谢通量的最大化。β-胡萝卜素是一类具有重要应用价值的萜类化合物,其中番茄红素环化酶(Lycopene cyclase,CrtY)是β-胡萝卜素合成途径中的关键酶,能够催化FAD依赖的环化反应将番茄红素转化合成β-胡萝卜素。本研究通过对CrtY的系统优化提高β-胡萝卜素的合成水平,并确定CrtY的表达对代谢通路的影响。在大肠杆菌中以番茄红素合成模块为基础,通过引入番茄红素环化酶基因crt Y构建了β-胡萝卜素合成模块。并进一步利用寡聚接头介导的DNA组装方法 (Oligo-linker mediated assembly method,OLMA)引入一系列不同强度的人工设计的核糖体结合位点(Ribosome-binding site,RBS),对CrtY的表达强度、基因来源等因素进行高通量的优化。通过OLMA文库构建和平板筛选,获得了5株高产β-胡萝卜素的工程菌株。在摇瓶中,5株工程菌株的β-胡萝卜素产量可达15.79-18.90 mg/g DCW(Dry cell weight),比优化前提高了65%。进一步选取了其中的CP12菌株,在5 L发酵罐上,利用高密度培养技术验证工程菌株合成β-胡萝卜素的能力。最终β-胡萝卜素产量可达1.9 g/L。RBS强度分析及代谢中间体分析表明,适当地降低CrtY表达强度能够有利于β-胡萝卜素模块相关基因之间协同发挥作用。以上结果为β-胡萝卜素合成途径的优化规律提供了理论指导。     

通过转基因提高β-胡萝卜素生物合成量

在黄花龙胆 (Getianalutea)花瓣中获得了植物类胡萝卜素生物合成途径中的 5个基因GGPS、PSY、ZDS、LycB、LycE ,它们分别位于类胡萝卜素合成途径中生成α 和 β 胡萝卜素的上游 .将其中的主要酶基因PSY、ZDS与 35S启动子和NOS终止子相连 ,通过根癌农杆菌 (Agrobacteriumtumefaciens)转入烟草 ,并通过RT PCR ,Northern分子杂交 ,Western分子杂交等证实这些基因在RNA、蛋白质水平能较好转录及表达 .高效液相层析法分析显示 ,这些基因的翻译产物具有酶的活性 .结果表明 ,PSY可使 β 胡萝卜素含量提高 1 0 8% .     

南丰蜜橘β-胡萝卜素羟化酶基因内含子的鉴定和分析

植物β-胡萝卜素羟化酶(简称β-羟化酶)是玉米黄素合成过程中的关键酶。柑橘、拟南芥、大白菜等多种植物β-羟化酶基因都已被克隆。柑橘中合成玉米黄素的中间产物β-隐黄素的含量远远高于其它植物,推测柑橘与其它植物的β-羟化酶基因相比有一些特殊的差异。本研究以南丰蜜橘为材料,克隆了柑橘β-羟化酶全长基因,并对该基因内含子进行定位和分析,结果表明南丰蜜橘β-羟化酶基因具有6个内含子,其中内含子6的长度远大于拟南芥和大白菜中相应的内含子。进一步研究发现内含子6中有两段特殊序列,一段长122 bp,另一段长95 bp。特别是122 bp序列两端具有反向重复序列,全序列中含有许多不同的转录起始原件。二级结构预测其对应RNA二级结构能构形成较稳定的发夹结构。     

螺旋藻中β-胡萝卜素高效液相色谱测定方法的研究

采用高效液相色谱法直接测定螺旋藻中β-胡萝卜素组分的含量.色谱柱为YMC-pack ODS(4.6mm i.dx 150 mm,5μm),流动相为甲醇-乙腈-二氯甲烷(体积比60:30:10),在435nm波长处检测.研究结果表明:β-胡萝卜素的检测限为20ng,线性范围在4.60～36.80 mg/L,相关系数为0.9996,加样平均回收率为96.61%.方法准确、简便、快速,适用于螺旋藻及螺旋藻制品中β-胡萝卜素组分的检测.     

基因crtI对重组酿酒酵母β-胡萝卜素产量的影响

本文研究了在一株表达红法夫酵母色素合成相关基因crtE、crtYB、crtI和酿酒酵母HMG1功能域的重组酿酒酵母菌株Sc-EYBIH中,再表达一个拷贝crtI基因,对重组酵母Sc-EYBIH中β-胡萝卜素产量的影响。结果表明再表达crtI基因后,重组酿酒酵母Sc-EYBIH+I中β-胡萝卜素产量达到1136.17μg/g,是出发菌株Sc-EYBIH产量(358.82μ/g)的3倍。且重组菌株Sc-EYBIH+I的死亡率明显要低于不产色素的对照菌株Sc-vector。。这些结果显示,本研究所构建的重组菌ScEYBIH+I有着较好的色素产量和优异的生长性能,无论是用来生成色素类物质还是生产其他生物制品都有着广泛的应用前景。     

溶氧对Blakeslea trispora分批发酵生产β-胡萝卜素的影响

在摇瓶和5 L发酵罐中研究了溶氧 (DO) 对Blakeslea trispora分批发酵生产β-胡萝卜素的影响,总结了5 L发酵罐中β-胡萝卜素发酵过程中溶氧的变化规律.结果表明,当500 mL摇瓶装液量为50 mL,转速为240 r/min条件下发酵生产β-胡萝卜素产量最大,达到3.416 g/L; 5 L发酵罐中,在搅拌转速为1 000 r/min,通气量为1.5 vvm的条件下,β-胡萝卜素的产量可达到3.712 g/L,略高于摇瓶,这可能是由于5 L发酵罐中的气液传递和混合状况好于摇瓶,促进了产物的合成.     

补料工艺对三孢布拉霉菌合成β-胡萝卜素的影响

微生物发酵法是现在国际上工业化生产天然β-胡萝卜素的主要研究方向,三孢布拉霉菌是其中一种理想的出发菌株。为进一步提高此菌株的合成能力,本文采取了在发酵过程中添加结构类似物的方式,研究了不同时间和不同浓度下补料对最终合成β-胡萝卜素的影响,确定了补料工艺对最终产物合成的促进作用,其中尤在发酵24hr时添加0.01%的巴比妥酸效果最佳。     

南丰蜜橘β-胡萝卜素羟化酶基因的克隆和序列分析

以南丰蜜橘[Citrus reticulata Blanco var.kinokuni(Tanaka)H.H.Hu]基因组DNA为模板,根据已报道的柑橘β-胡萝卜素羟化酶基因保守序列设计4对引物,进行PCR扩增,得到4条长度为470、761、294和991 bp的片段.将这些片段克隆到pMD18-T载体,并进行测序.测序结果拼接成1条2 326 bp的序列.分析发现该序列含6个内含子,7个外显子.内含子两侧有典型的GT-AG保守序列.该序列中预测的编码序列与温州蜜柑、拟南芥等植物的β-胡萝卜素羟化酶基因序列保守性达80%以上,表明该序列确实为β-胡萝卜素羟化酶基因.该基因编码了1个含311个氨基酸的蛋白.将该序列递交到GenBank数据库,序列号为AM408552.