L-鸟氨酸发酵菌种的代谢工程研究进展

L-鸟氨酸是一种非蛋白类氨基酸参与尿素代谢及生物多胺类的合成,其对人体具有治疗肝脏疾病、增强免疫力等作用,被广泛应用于医疗、保健、食品等领域。工业上生产鸟氨酸主要有化学法、酶法及工业发酵法。其中,发酵法因其生产成本及环境保护等方面的优势而逐渐成为研究的焦点。本文归纳了近年来采用基因工程技术选育鸟氨酸高产菌种最新研究进展,重点讨论了产鸟氨酸谷氨酸棒杆菌的代谢工程改造策略,并对未来的研究方向进行了预测。     

用原生质体融合技术选育谷氨酸高产菌

利用原生质体融合技术,在不对亲株做任何诱变的前提下,成功地使天津短杆菌TG-866与钝齿棒杆菌B9的原生质体进行融合,获得兼有两亲株遗传性状——细胞个体大、产酸高的融合子F263及F288。确定了两亲株原生质体制备、再生及融合的最佳条件。在该条件下,其原生质体形成率均在99．9％以上,再生率分别为z 3％及28％,原生质体融合率为3．2×1 0-5在最佳摇瓶发酵条件下,F263及F2 88的谷氨酸产率分别为8．4g／dl及8．03g／dl.通过连续10次摇瓶传代,发现该融合子较稳定,因而具有较高的应用价值。     

L-鸟氨酸的混合菌种发酵研究

谷氨酸棒杆菌可发酵葡萄糖产L-鸟氨酸。通过连续筛选与驯化筛选到了产量较高的生产菌株CG1006。以GC/MS对发酵液成分的定性分析及鸟氨酸的产量为依据,优化了培养条件,产量从最初的14.346g/L提高到40.416g/L。初步考察了酵母菌CG1006-1对发酵液成分及产量的影响。结果表明混合菌种发酵可纯化发酵液成分。     

L-精氨酸产生菌诱变育种的研究

以谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutam icum)ATCC138761为诱变出发菌株,经紫外线(UV)和亚硝基胍(NTG)逐级诱变处理和选育,获得一株能够积累L-精氨酸的菌株UN100-12(SGr,AEr)。在以葡萄糖为碳源、以硫酸铵为氮源的培养基中直接发酵4d,产酸可达16.6 g/L,并具有较好的遗传稳定性。     

L-组氨酸高产菌株的选育

为得到L-组氨酸的高产菌株,以谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）S9114为出发菌株,利用亚硝基胍（NTG）和硫酸二乙酯（DES）进行多次诱变,在D-组氨酸的抗性梯度平板上挑取正突变株,发酵检测,最终挑出一株S6（D—his＇）,可积累L-组氨酸327mg／L,比出发菌株提高47.3％。     

原生质体融合选育赖氨酸高产菌种的研究

北京棒杆菌1134衍生株与枯草芽孢杆菌151衍生株的原生质体融合得到了一株可以甜菜糖蜜为原料,在摇床与小罐发酵均能稳定产赖氨酸6 50％以上的高产菌株——Q4413。Q441 3菌落形态类似于11 34株,而菌体形态区别于双亲,呈较短的杆状,无鞭毛,但有较稀疏的纤毛。生理生化研究表明：Q4413耐盐性、蔗糖发酵,石蕊牛奶试验产碱状况酷似于151株,而与1134株略有差异;运动性、糊精、柠檬酸盐利用,MR试验、酪素水解、明胶水解、石蕊牛奶还原,又酷似于1134株而区别于151株;04413的最适生长温度、pH值居双亲之间;Qq4413为原养型加三重抗性[Rifr,AECr Nalr];其细胞DNA含量与GC比测定结果均居双亲之中,而且生物量测定结果也均与双亲有一定的差异。     

L-精氨酸高产菌株的选育

以谷氨酸高产菌种LH谷氨酸棒杆菌为出发菌株,用化学试剂亚硝基胍(NTG)诱变,经结构类似物磺胺胍和摇瓶产酸筛选,获得一株产L-精氨酸的菌株LH425,在摇瓶发酵中,培养96h,产酸率38g·L-1。     

钝齿棒杆菌中异源表达N-乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶合成L-鸟氨酸的研究

目的:对一株产鸟氨酸的钝齿棒杆菌Corynebacterium crenatum SYPA5-5/△proB/△argF(SYPO-1)进行代谢工程改造,筛选不同细菌来源的N-乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶在大肠杆菌中克隆与表达,纯化后对其进行酶学性质的比较;将黏质沙雷氏菌Serratia marcescens Y213来源的Smarg E基因编码的N-乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶在L-鸟氨酸生产菌株C.crenatum SYPO-1中过量表达,进一步提高L-鸟氨酸的产量。方法:通过利用pDXW10穿梭质粒对不同来源的N-乙酰鸟氨酸脱乙酰化酶进行克隆表达和酶学性质比较,选择性质最优来源的N-乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶编码基因Smarg E在产L-鸟氨酸重组钝齿棒杆菌中表达,考察重组菌株发酵过程中参数的变化。结果:来源于S.marcescens Y213的N-乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶比酶活最高为798.98U/mg,最适pH为7,最适温度为37℃,0.1mmol/L的Mg~(2+)、Li~+、Mn~(2+)促进酶的比酶活提高了50%;在钝齿棒杆菌中表达N-乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶酶活达到128.4U/ml,显著提高了钝齿棒杆菌中胞内乙酰基循环水平;5L发酵罐发酵重组菌株96h,L-鸟氨酸的产量达到38.5g/L,比出发菌株,L-鸟氨酸的产量提高了33.2%,产率达0.401g/(L·h)。结论:筛选出最佳来源的N-乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶,在鸟氨酸生产菌株C.crenatum(SYPO-1)中过量表达,可以促进鸟氨酸的前体物质N-乙酰鸟氨酸的快速消耗,实现鸟氨酸的积累。     

产谷氨酸棒杆菌B9和T6—13的原生质体融合

棒杆菌Ｂ９和Ｔ６—１３两菌株经ＵＶ变处理得到Ｂ９—２（ＳｍＲ）和Ｔ６—１３—３（ＲｉｆＲ）两菌株,以此两菌株做为出发菌株。将对数前期的培养细胞经青霉素予处理及酶解制备原生质体,用４０％ＰＥＧ６０００为助融剂,进行原生质体融合。用间接法检出具有Ｓｍ、Ｒｉｆ抗性的融合子。融合频率为６．５５×１０－６－１．６４×１０－５,融合子双抗性稳定,产谷氨酸,经摇瓶实验筛选出一株产谷氨酸明显高于亲本的融合子ｆｕ３６。     

黑曲霉原生质体诱变选育果胶酶高产菌株

通过UV和NTG诱变筛选获得了2株高产果胶酶突变株。以果胶酶产生菌黑曲霉EIM6为诱变材料,采用1．5％的溶壁酶和1．5％的纤维素酶处理其对教生长期菌丝体2h获得高质量的原生质体。采用UV25S或50μg／mL NTG诱变30min,构建原生质体突变库,经刚果红果胶平板筛选获得果胶酶突变株,通过液体深层培养复筛获得高产突变株EIM6-U11、EIM6-N5,酶活力分别从46598．08、46598．08U／mL提高至68596．57、68879．56U／mL,分别提高了47．21％、47．82％。连续8次传代经发酵测酶活力表明高产突变株EIM6-U11、EIM6-N5具有较高的遗传稳定性。     

细菌科间原生质体融合的研究

本文将赖氨酸产生菌——北京棒杆菌1134株进行标记,同时将枯草芽孢杆菌BR151菌株进一步标记后,进行科间原生质体融合的探讨,揭示了科间原生质体融合的可能性。经适宜的条件培养和预处理,再在适宜的条件下,酶解制备亲本株的原生质体,用PEG(MW6000)为聚合剂,经低温短时间处理,将1134衍生株与151衍生株的原生质体进行融合;并在改良的DM_3平皿上加入适量的细胞壁碎片(作引物)与适量的人血清白蛋白制剂,使其再生,结果棒杆菌(在酶解后2.5h.)与枯草芽孢杆菌(酶解后20min)的制备率均已达到99.98％以上,再生率分别达21.3％与90.8％以上。经适温培养48h后,从融合平皿上随机挑出若干个菌落。点种于CM母平皿上,再分别影印于10套选择培养基平皿上,进行鉴定,其融合率达到了3.9×10~(-4)。从菌落形态和菌体形态上可大体分为近1134类型,近151类型和中间类型三种。经连续传代五代后,从融合子中筛选山了几株在摇床上以甜菜糖蜜为原料。产酸水平捉高近一倍的稳定高产融合子。其中Q4413株的产酸率平均达6.56％,10立升小罐发酵产酸率6.52％,糖酸转化率为40.25％,经进一步验证,该菌株的产酸能力和遗传性均是稳定的,为远缘工业微生物育种开辟了新的可行途径。     

利用原生质体融合技术选育淀粉发酵产DHA的新型裂殖壶菌

以生产DHA的裂殖壶菌(Schizochxtrium)B4D1和黑曲霉(Aspergillus niger)CGMCC 3.316为出发菌株,利用原生质体融合技术选育可以利用淀粉发酵生产DHA的新型裂殖壶菌。用裂解酶制得了两亲本的原生质体,通过研究两亲本培养时间、培养方法、酶解时间等条件对原生质体产量影响的基础上,以PEG介导进行了原生质体的融合,最终确定了原生质体融合最佳条件为40%的PEG6000,融合温度30℃,融合时间为10 min,在此条件下融合率可达1.9%。通过比较菌落外观、颜色、形态以及分离培养筛选获得了一株利用淀粉裂殖壶菌融合子。经过RAPD验证表明B4D1与CGMCC 3.316发生了重组,融合菌株表达了更多源于B4D1的遗传信息。     

L-组氨酸高产菌株的选育及其发酵条件优化

目的:以谷氨酸棒杆菌TQ2223(Phe-/Tyr-/5-MTr/SGr/5-FTr/CINr)为出发菌株,定向选育具有5-甲基色氨酸抗性(5-MTr)、磺胺胍抗性(SGr)、5-氟色氨酸抗性(5-FTr)、8-氮鸟嘌呤抗性(8-AGr)、6-巯基嘌呤抗性(6-MPr)、2-噻唑丙氨酸抗性(2-TAr)等遗传标记的突变株;同时对突变株发酵培养基及条件进行研究,获得最优条件。方法:经硫酸二乙酯诱变处理,测定了诱变时间与致死率的关系,并对发酵培养基中不同氮源、生物素添加量进行了单因素实验,对接种量、发酵培养温度等发酵条件也进行了实验确定。结果:经诱变处理后,定向选育出的菌株TL1105(5-MTr/SGr/5-FTr/8-AGr/6-MPr/2-TAr)在未经优化的摇瓶发酵条件下,L-组氨酸的产量为12.02g/L;而优化培养条件后,L-组氨酸的产量达23～24g/L。结论:确定最佳诱变时间30min,此时致死率为80%。硫酸铵为发酵培养基中最适碳源,生物素添加量为50μg/L,采用5%接种量为宜,组氨酸发酵的最适温度为30℃。     

链霉菌菌株A与哈茨木霉T-23原生质体融合条件的研究

报道了链霉菌菌株和哈茨木霉菌株属问原生质体融合构建生防工程菌的前期研究成果,研究结果显示：链霉菌菌株A与哈茨木霉T-23分别以1000μg／ml庆大霉素和50～53℃热灭活120min作为遗传标记;融合系统采用聚乙二醇(PEG)作为促融剂,通过对PEG最佳分子量、浓度、处理时间的筛选,确立最佳融合技术系统,即内含0．05mol／L Ca^2 的35％ PEG6000,融合处理15min。所得融合子经过选择再生培养基培养后,在132株融合子中初步筛选出2株稳定的融合子。经孢子大小和DNA含量测定,确立一株为单倍重组体,另一株为杂合二倍体。     

庆大霉素产生菌原生质体融合高产株与发酵罐试产的研究

对庆大霉素产生菌绛红色小单孢菌（Micromonospora purpurea）原生质体分别用硫酸二乙酯（DES）和紫外线（uv）进行诱变、融合,用庆大霉素进行抗性筛选、再生后得到高产菌株;经摇瓶连续10批次发酵考查,平均发酵单位在2200±U/ml;又经5L发酵罐连续发酵考查7批次,产量平均1900±U/ml。产品质量符合药典。     

HPLC-ELSD法测定发酵液中L-鸟氨酸的含量

采用HPLC-ELSD法,Prevail C18柱,体积分数0.06%HFBA溶液-乙腈(88∶12)为流动相,柱温30℃,流速为0.8 ml.min-1,ELSD漂移管温度110℃,气体流量2.8 L.min-1,建立了测定L-鸟氨酸的方法。鸟氨酸在0.1-0.6 g.L-1范围内,线性回归比非常显著(r2=0.9998),平均回收率98.94%。该法简便、快速、准确性高、重复性好,适合于L-鸟氨酸的定量分析。     

L-组氨酸产生菌的选育及其特性的初步研究

以谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)HZ4221(TRARDCPR AMTRhistidase-)为出发菌株,利用亚硝基胍(NTG)诱变选育得到莽草酸缺陷型的渗漏突变株CLW0560,在以葡萄糖为碳源、硫酸铵为氮源的培养基中直接发酵72h,积累L-组氨酸可达5.31g/L。与亲株相比,L-组氨酸产量提高了32.1%,转酮酶比活力下降84.3%。研究了该菌株利用培养基中碳源情况及菌株遗传稳定性,而且考察了金属离子对CLW0560的影响。