代谢工程改造酿酒酵母合成葡萄糖二酸

葡萄糖二酸是一种高附加值的有机酸,广泛用于食品、医药和化工领域。为获得生产葡萄糖二酸的微生物细胞工厂,通过共表达小鼠来源的肌醇加氧酶(MIOX)及恶臭假单胞菌来源的醛酸脱氢酶(Udh),在酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae CEN.PK2-1C中构建了葡萄糖二酸合成途径,产量为(28.28±3.15)mg/L。在此基础上,通过调控前体肌醇的合成途径,发现肌醇-1-磷酸合成酶(INO1)是葡萄糖二酸合成途径的限速酶,过量表达INO1,葡萄糖二酸产量达到(107.51±10.87)mg/L,提高了2.8倍。进一步弱化竞争支路中磷酸果糖激酶(PFK1)的表达,最终葡萄糖二酸的产量达到(230.22±10.75)mg/L,为进一步获得高产葡萄糖二酸细胞工厂提供基础。     

构建葡萄糖二酸指示系统筛选肌醇加氧酶突变株

葡萄糖二酸是一种高附加值天然有机酸,已经广泛应用于疾病防治、生产聚合物材料等领域。在葡萄糖二酸的合成途径中,肌醇加氧酶MIOX所催化的肌醇转换为葡萄糖醛酸的过程是整个途径的限速步骤。通过应用将葡萄糖二酸浓度与绿色荧光蛋白荧光强度相结合的筛选系统,从突变体文库中筛选出3株有潜力的肌醇加氧酶突变体(K59V/R60A、R171S和D276A),使MIOX活性得到提高。重组菌株Escherichia coli BL21(DE3)/MU-R171S的葡萄糖二酸产量相比于未突变菌株提高了36.5%。     

构建酿酒酵母细胞工厂高效合成摩尔酸

[目的] 摩尔酸作为齐墩果烷型三萜化合物具有抗HIV、抗炎等多种生物学活性,其前体物质是计曼尼醇,本研究基于合成生物学策略构建酿酒酵母细胞工厂高效合成摩尔酸。[方法] 运用CRISPR/Cas9技术,首先分别整合不同来源的氧化鲨烯环化酶（OSCs）,筛选高产计曼尼醇底盘细胞;进一步异源表达长春花来源的细胞色素P450氧化酶（CYP716AL1）和麻风树来源的细胞色素P450还原酶（JcCPR）,构建摩尔酸生物合成途径;并通过CYP716AL1和不同来源的CPR适配研究以及过表达甲羟戊酸（MVA）代谢途径中关键酶的方式提高摩尔酸的产量。[结果] 整合苹果来源的氧化鲨烯环化酶MdOSC获得的重组菌株计曼尼醇产量最高,达68.3 mg/L;以此为底盘细胞进一步整合CYP716AL1和JcCPR实现了摩尔酸的生物合成,产量为15.0 mg/L;共表达CYP716AL1和拟南芥来源的CPR获得的重组菌株摩尔酸产量最高,达到24.3 mg/L;最后过表达MVA代谢途径中的关键酶法呢基焦磷酸合酶（ERG20）和鲨烯环氧酶（ERG1）,获得的重组菌株摩尔酸产量高达34.1 mg/L。[结论] 本研究实现了摩尔酸的高效生物合成,为构建高产齐墩果烷型三萜酿酒酵母细胞工厂提供了理论和技术依据。     

葡萄糖二酸研究进展

葡萄糖二酸是一种葡萄糖衍生物,可作为原料制备多种聚合物和生物质新能源,在化工领域具有广泛的应用价值,被认为是"最具价值的生物炼制产品"之一。葡萄糖二酸也具有调控体内激素、提高机体免疫功能、减少癌症病发的作用,它在食品和医药领域的关注度和市场需求逐年增加。目前葡萄糖二酸的制备主要依靠化学氧化法生产,用微生物法合成的研究还处于初级探索阶段。本文综述了葡萄糖二酸的在医药、化工等领域的应用前景,阐述了其生产方法及测定手段,并对微生物法生产葡萄糖二酸进行了展望。     

产对香豆酸酿酒酵母工程菌株的构建与优化

对香豆酸是黄酮类、芪类等天然活性化合物的重要前体,在生物医药、食品等行业应用广泛。与传统植物提取和化学合成相比,微生物合成对香豆酸因其具有生产周期短、转化效率高等优势而得到广泛关注。为构建高产对香豆酸酵母工程菌株,以酿酒酵母为出发菌,通过敲除酪氨酸合成竞争路径基因ARO10和PDC5,突变芳香族氨基酸合成调控基因ARO4^K229L与ARO7^G141S、解除酪氨酸负反馈抑制、并整合酪氨酸解氨酶FjTAL,获得的工程菌C001对香豆酸产量为296.73 mg/L。为进一步提高对香豆酸合成前体积累,分别敲除8个与氨基酸、糖类等转运相关基因并强化糖异生途径,分析其对对香豆酸积累的影响。结果表明,敲除GAL2及过表达EcppsA,对香豆酸产量提高至475.11 mg/L。最后,分析了FjTAL蛋白锚定至酵母液泡对产物积累的影响,结果表明其定位液泡后对香豆酸产量明显提升,达到593.04mg/L。通过强化前体物供应,阻断竞争旁路途径,利用亚细胞定位等策略有效提高对香豆酸产量,为后续黄酮类及芪类化合物的合成提供高效平台菌株,具有重要的应用前景。     

构建酿酒酵母工程菌合成香紫苏醇

香紫苏醇是一种来源于植物的双环二萜醇,常用于香味成分且具有重要生物学活性。为实现香紫苏醇的微生物生产,以酿酒酵母为宿主,表达焦磷酸赖百当烯二醇酯合酶和香紫苏醇合酶,构建香紫苏醇的人工生物合成途径。发现过表达前体代谢关键酶、蛋白质融合增强底物通道效应及去除异源蛋白信号肽等,有利于香紫苏醇合成。在摇瓶培养条件下,组合优化得到的工程菌株S6的香紫苏醇产量达到8.96 mg/L。研究结果对其他萜类化合物的异源生物合成具有参考价值。     

产肌醇酿酒酵母基因工程菌的构建

【目的】过表达酿酒酵母肌醇合成关键酶基因INO1,促进肌醇合成,构建能够分泌肌醇的基因工程菌株。【方法】构建r DNA介导的INO1基因多拷贝整合表达载体p URIH,电转化酿酒酵母Y01菌株,构建工程菌株YI2-1和YI2-2,荧光定量PCR方法分析INO1基因表达量。敲除Kan MX抗性基因,HPLC检测重组菌发酵液中肌醇含量。【结果】获得INO1基因过表达菌株YI2-1和YI2-2,YI2-1的INO1基因表达量是出发菌Y01的16.235倍。敲除Kan MX抗性基因的菌株命名为YI2-1△KP,初步检测YI2-1△KP产肌醇量为627 mg/L。【结论】r DNA介导的INO1基因多拷贝整合表达载体p URIH能够有效地过表达目的基因;过表达菌株合成的肌醇不仅能满足自身的需要,而且能够向胞外分泌,具有潜在的工业应用价值。     

高效合成倍半萜酿酒酵母的构建策略

倍半萜是具有较强香气和优良生物活性的萜类化合物,能用于香料、燃料和药物的合成。目前,工业上获取倍半萜的常见方法主要是化学合成以及植物提取。由于常见方法存在产率低、成本高和污染大等不可避免的问题,科研人员开始关注微生物合成倍半萜的相关研究,并且以酿酒酵母为宿主采用代谢工程、酶工程和合成生物学等方法构建了生产各种倍半萜的微生物细胞工厂。介绍和解析了酿酒酵母倍半萜合成途径。围绕乙酰辅酶A的积累、甲羟戊酸途径的强化和改造以及底物竞争途径的抑制三个方面,综述了改造和强化倍半萜合成途径的具体策略和相关实例。概述了近年来关于倍半萜合成酶的挖掘和突变研究进展。最后,针对如何进一步提高酿酒酵母合成倍半萜的效率提出展望与建议。     

产对香豆酸酿酒酵母菌株的构建及优化

对香豆酸(p-coumaric acid)作为苯丙素类物质、芪类物质及黄酮类物质的重要前体化合物,在生物医药、化妆品及食品工业中均有广泛的应用价值。以酿酒酵母作为底盘菌株,利用合成生物学原理构建一株高产对香豆酸的人工酵母细胞。通过对比不同拷贝数的酪氨酸解氨酶(tyrosine ammonia lyase)合成的对香豆酸产量,发现随着基因拷贝数的增加对香豆酸的产量也相应提高;同时对酪氨酸的负反馈调控相关的蛋白质进行氨基酸定点突变得到Aro4pK229L和Aro7pG141S,利用delta位点将突变后的基因整合至酵母基因组,并挑取24株构建成功的酵母细胞进行发酵验证,发现菌株最高产量与最低产量相差28.87mg/L;为了进一步增加对香豆酸的代谢通量,对生成芳香醇类物质的旁路基因ARO10和PDC5进行敲除,发现同时敲除两个基因的菌株对香豆酸的产量最高,是敲除前产量的2.05倍(从42.71mg/L到87.56mg/L)。此外,通过设计前体酪氨酸的梯度添加实验,发现当添加1mmol/L的酪氨酸时,对香豆酸产量达到峰值(174.57±0.30)mg/L,相较于未添加时提高了将近1倍。通过运用合成生物学原理在酿酒酵母中实现了对香豆酸的高产,为后续的芪类化合物和黄酮类化合物生物合成奠定了基础。     

代谢工程改造黑曲霉生产葡萄糖二酸

葡萄糖二酸是葡萄糖的一种二元羧酸衍生物,是重要的平台化合物,被应用于医药、化工等领域。本研究以黑曲霉为底盘细胞,通过表达来自恶臭假单胞菌Pseudomonas putida KT2440的糖醛酸脱氢酶基因ppudh,成功在黑曲霉中实现了葡萄糖二酸的合成,产量为18.74 mg/L;在此基础上通过共过表达黑曲霉自身来源的肌醇加氧酶(anmioxA)和肌醇-1-磷酸合酶(aninoA)、酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae S288C来源的羧酸转运蛋白(scJEN1),强化了合成通路和外泌途径,将产量提高至102.10 mg/L;通过表达来自乳酸乳球菌Lactococcus lactis subsp.cremoris MG1363的NADH氧化酶(llnox),建立NAD⁺辅因子循环系统,使产量进一步提高至115.65 mg/L;利用RNA干扰技术对竞争支路中的关键酶磷酸果糖激酶(pfkA)和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(zwf)进行弱化表达,葡萄糖二酸最终的产量达到313.65 mg/L。本研究为微生物高效生产葡萄糖二酸和下游相关产品生产奠定基础。     

代谢工程改造酿酒酵母合成植物萜类D-柠檬烯的策略

植物萜类化合物是以异戊二烯为结构单位的一大类植物天然的次生代谢产物。D-柠檬烯属于单萜类化合物,由于它具有抑菌、增香、抗癌、止咳、平喘等多种功能,已被广泛应用于食品、香料、医疗等行业。目前D-柠檬烯的工业生产主要是从植物的果皮或者果肉中提取的,但提取方法存在着分离纯化复杂、产率低、能耗大等缺点。而本世纪初合成生物学技术的兴起,为微生物异源合成天然活性化合物带来了全新的理念与工具,打破了物种间的界限,使微生物异源合成D-柠檬烯成为现实。构建定向、高效的异源合成D-柠檬烯的微生物细胞工厂,实现微生物发酵法替换传统的植物提取法,具有重要的经济与社会效益。本文主要回顾了近几年利用代谢工程改造酿酒酵母异源合成萜类化合物取得的成就,阐述了以酿酒酵母作为底盘微生物,利用代谢工程和合成生物学的手段构建高产D-柠檬烯的合成策略。     

酿酒酵母芳樟醇耐受性的工程改造

【背景】芳樟醇具有特殊的香气和多种生物学活性,是食品、医药和化妆品行业的重要原料。随着合成生物学的高速发展,代谢改造微生物进行芳樟醇生物合成是当前研究的一大热点。然而在微生物的生物合成中,芳樟醇对底盘细胞的毒性是一大瓶颈问题,也是其他单萜物质生物合成的共性问题。【目的】建立合理的耐受性改造方法,以提高微生物宿主细胞对芳樟醇的耐受性。【方法】以酿酒酵母BY4741为研究对象,通过对ABC转运蛋白、活性氧调控相关酶及转录调控因子的过表达,考察它们对酿酒酵母芳樟醇耐受性的影响,并通过对酿酒酵母细胞进行定向驯化,筛选耐受性提高的酿酒酵母突变株。【结果】单独过表达ABC转运蛋白(Yor1、Snq2、Pdr5、Pdr15和Pdr18)、ROS调控相关酶(Gre2、Ctt1、Yhb1、Gpx2、Trr1、Trx2和Gsh2)及转录调控因子(Ino2、Yap1、Yap5和Stb5)并不能有效提高酿酒酵母的耐受性,但在传代适应性驯化过程中获得了两株耐受性提高的酿酒酵母突变株,将芳樟醇的致死浓度从430mg/L提高到了645mg/L以上。进一步通过基因组重测序分析揭示了驯化菌株突变位点。其中YBR074W...     

表面展示表达果胶酯酶的重组酿酒酵母构建及乙醇发酵

【目的】以淀粉为原料的乙醇发酵工艺仍然是当前燃料乙醇的主要生产方式。然而,一些原料中含有的果胶物质不仅降低了乙醇产率,而且会导致醪液粘度增大,从而会进一步影响传质和传热、增加设备负担等。构建能够自主降解果胶质的重组酿酒酵母并应用于燃料乙醇生产是值得探索的领域。【方法】论文将来源于黑曲霉的果胶酯酶基因克隆于α因子信号肽下游并通过酵母α-凝集素C-端蛋白的介导构建了在细胞表面锚定表达果胶酯酶的重组酿酒酵母PE。【结果】重组酵母的果胶酯酶表达水平达到2.6 U/g(菌体湿重),并进一步鉴定了重组果胶酯酶性质。以甘薯粉为原料的同步糖化发酵实验中,重组酵母PE的乙醇浓度和乙醇转化率分别达到95 g/L和88.1%,与出发菌株相比提高了2.2%。更重要的是,表面展示果胶酯酶能够显著降低发酵过程中的发酵液粘度。【结论】通过在工业酿酒酵母表面展示表达果胶酯酶不仅能够提高糖化酶等的作用效果和酿酒酵母的代谢能力,而且能够显著降低乙醇生产过程中发酵液的粘度,将对工业规模乙醇生产在降低设备负担、节约能耗方面具有一定的潜在价值。     

URA3基因影响青蒿酸酿酒酵母工程菌中试发酵产量

CRISPR/Cas9基因编辑技术已经被广泛应用于工程酿酒酵母的基因插入、基因替换和基因敲除,通过使用选择标记进行基因编辑具有简单高效的特点。前期利用CRISPR/Cas9系统敲除青蒿酸生产菌株酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae) 1211半乳糖代谢负调控基因GAL80,获得菌株S. cerevisiae 1211-2,在不添加半乳糖诱导的情况下,青蒿酸摇瓶发酵产量达到了740 mg/L。但在50 L中试发酵实验中,S. cerevisiae 1211-2很难利用对青蒿酸积累起到决定性作用的碳源-乙醇,青蒿酸的产量仅为亲本菌株S.cerevisiae 1211的20%–25%。我们推测因遗传操作所需的筛选标记URA3突变,影响了其生长及青蒿酸产量。随后我们使用重组质粒pML104-KanMx4-u连同90 bp供体DNA成功恢复了URA3基因,获得了工程菌株S. cerevisiae 1211-3。S. cerevisiae 1211-3能够在葡萄糖和乙醇分批补料的发酵罐中正常生长,其青蒿酸产量超过20g/L,与亲本菌株产量相当。研究不但获得了不加半乳糖诱导的青...     

代谢工程改造酿酒酵母提高法尼醇产量

[目的]法尼醇(FOH,C15H26O)是一种具有芳香气味的非环状倍半萜醇,被广泛应用于化妆品和医学药物的工业化生产,也可作为航空燃料的理想替代品.具有食品级安全性的酿酒酵母细胞能够合成内源性法尼醇,但其产量很低,无法满足工业生产的需要.因此,需要采用代谢工程手段,改造法尼醇合成途径,以有效提高法尼醇在酿酒酵母中的产量...     

双孢蘑菇酪氨酸酶基因在酿酒酵母中的异源表达及其酶学特性

【目的】在酿酒酵母中异源表达双孢蘑菇来源的酪氨酸酶基因PPO2,并研究酪氨酸酶在酿酒酵母胞内及胞外的酶学特性。【方法】提取双孢蘑菇总RNA,通过RT-PCR克隆酪氨酸酶基因PPO2,构建表达载体pSP-G1-PPO2,并转化至酿酒酵母进行表达,采用镍亲和层析纯化蛋白并研究其酶学性质。【结果】在酿酒酵母中正确表达了大小为65 kDa的酪氨酸酶蛋白。重组酶能催化底物酪氨酸产生黑色素。体外活性测定表明,酪氨酸酶催化最适温度为45°C,以酪氨酸和多巴为底物时最适pH分别为7.0和8.0。在酿酒酵母中测得底物酪氨酸浓度低于2.5 mg/mL时,黑色素的产量与底物浓度呈现正相关性。【结论】来源于双孢蘑菇的酪氨酸酶基因PPO2在酿酒酵母中成功表达,重组酶具有良好的酶学特性。利用酪氨酸酶产物黑色素的产量与底物浓度呈现正相关性这一特性,可将其作为细胞酪氨酸产量的传感器,为高通量筛选酪氨酸高产菌株提供了思路。     

高效组成型分泌表达木素过氧化物酶酿酒酵母工程菌的构建

【目的】为了获得高产木素过氧化物酶酿酒酵母工程菌。【方法】本研究从黄孢原毛平革菌中克隆了木素过氧化物酶(lignin peroxidases,LiP)基因,全长2193 bp,编码371个氨基酸,并与来源于酿酒酵母的PGK启动子序列、来源于pPIC9K质粒的α-信号肽序列以及来源于pSH65质粒的CYC1终止子序列通过重叠延伸PCR构建完整表达盒(PαLiC),利用rDNA整合法构建木素过氧化物酶酿酒酵母表达载体,实现木素过氧化物酶在酿酒酵母中的多拷贝表达。利用数字微滴PCR技术对拷贝数进行鉴定,探究拷贝数与蛋白表达量之间的关系。【结果】通过rDNA整合法得到拷贝数为1、2、4、5、6、7、8、9、10、11、12和13的木素过氧化物酶酿酒酵母工程菌,通过对其酶活测定,表明当拷贝数为7时,酶活力最高,为367U/L。【结论】本研究在酿酒酵母中表达了木素过氧化物酶,研究了其基因拷贝数与酶活性的关系,对木质素降解技术的发展具有重要意义。     

l-Malic acid formation by immobilized Saccharomyces cerevisiae amplified for fumarase

The yeast Saccharomyces cerevisiae was amplified for the enzyme fumarase by cloning the single nuclear gene downstream of a strong promoter. The overproducing strain converted fumaric acid to l-malic acid at a rate of 65 mM g⁻¹ h⁻¹ in free cell experiments, and approximately 87% of the fumaric acid was converted to l-malic acid within 45 min. Activity was dependent on the addition of surfactant to the medium, and minimal activity was seen with the wild-type yeast strain. The constructed strain was immobilized in agarose beads (2.4 mm mean diameter) and within agarose microspheres (193 and 871 μm mean diameter). The rate of bioconversion increased with decreasing bead diameter, with similar rates observed with the 193-μm diameter microspheres to that achieved with the free cells. The presence of surfactant was essential for initial activity of the immobilized cells; however, high activity was observed in subsequent experiments in the absence of surfactant. Stable activities over a 48-h period were maintained within the large-diameter agarose beads, while decreasing activities were observed within the agarose microspheres.