代谢组学分析提高谷氨酸棒杆菌L-瓜氨酸产量

利用基于气相色谱-质谱联用(GC-MS)的代谢组学分析方法,研究Corynebacterium glutamicum ATCC 13032和C.glutamicum ATCC 13032Δarg GΔargR-p XMJ19-arg B(ec)(CIT4)重组菌胞内代谢物差异性,挖掘L-瓜氨酸合成关键代谢物及代谢途径作用机制,并通过添加关键代谢物进行理性强化,提高L-瓜氨酸的产量。利用GC-MS共检测124种化合物,结合主成分分析(PCA)和偏最小二乘判别分析(PLS)统计发现10种为区别这两种菌的生物标志物,理性强化添加α-酮戊二酸、丙酮酸、谷氨酸、鸟氨酸、氨甲酰磷酸和谷氨酰胺,CIT4中L-瓜氨酸产量从18.50 g/L增加到20.86 g/L。     

基于代谢组学分析的O-琥珀酰-L-高丝氨酸发酵调控

【目的】O-琥珀酰-L-高丝氨酸(O-succinyL-L-homoserine, OSH)是合成L-蛋氨酸、L-草铵膦等重要前体，在医药、农药、食品等领域具有重要的应用前景，其绿色高效制造受到广泛关注。本研究通过解析OSH发酵过程代谢途径和代谢产物变化规律，建立OSH发酵调控策略，提升其产量和糖酸转化率。【方法】运用代谢组学技术，系统考察OSH生产菌在发酵不同时间段的代谢物变化情况，探究与OSH合成显著关联的代谢途径，通过在不同时间外源添加关键代谢物，平衡关键代谢物及其前体通量，减少旁路途径对前体的竞争性利用。【结果】在5 L发酵罐中产量达70.1 g/L，糖酸转化率达0.52 g/g (葡萄糖)。【结论】研究结果表明，基于代谢组学分析技术的OSH发酵体系优化和发酵过程调控显著提升了目标产物生产效率，奠定了OSH的产业化基础。     

阿维菌素生产菌的常压室温等离子体诱变育种及培养基优化

【目的】通过诱变筛选技术选育阿维菌素高产突变株,对其发酵培养基进行响应面优化,提高阿维菌素产量。【方法】采用常压室温等离子体(ARTP)诱变技术,结合链霉抗性和卡那霉素抗性筛选法及96深孔板高通量筛选法,筛选阿维菌素高产株。在单因素实验的基础上,应用响应面分析法对其发酵培养基进行优化,最后确定最佳培养基配方。【结果】获得一株遗传性状稳定的阿维菌素高产株K-1A6,其阿维菌素产量达到4.22 g/L,比出发菌株9-39提高了23.4%,在最佳培养基中阿维菌素产量达到5.36 g/L,较优化前提高了27.01%。【结论】通过对阿维链霉菌9-39菌株进行ARTP诱变筛选及发酵培养基优化研究能显著提高阿维菌素的产量。     

重组谷氨酸棒杆菌发酵L-苯丙氨酸培养基的优化

【目的】提高重组谷氨酸棒杆菌发酵L-苯丙氨酸(L-phenylalanine,L-Phe)的产量。【方法】使用正交试验设计以及响应面优化法分别对种子培养基及发酵培养基进行优化,确定了重组谷氨酸棒杆菌发酵L-Phe的最佳种子培养基及最佳发酵培养基。【结果】重组谷氨酸棒杆菌发酵L-Phe最佳种子培养基(g/L):葡萄糖25.0,玉米浆25.0,硫酸铵15.0,硫酸镁1.0,磷酸二氢钾2.0,尿素2.0,p H 6.8-7.0;最佳发酵培养基(g/L):葡萄糖110.0,玉米浆7.0,硫酸铵25.0,硫酸镁1.0,磷酸二氢钾1.0,柠檬酸钠2.0,谷氨酸1.0,碳酸钙25.0,p H 6.8-7.0;在最佳培养基条件下L-Phe产量最高达到9.14 g/L,较优化前的7.46 g/L提高了22.5%。【结论】通过正交试验和响应面分析对重组谷氨酸棒杆菌发酵L-Phe培养基进行优化,明显提高了L-Phe的产量,并确定了葡萄糖、玉米浆和硫酸铵为发酵培养基中影响L-Phe产量的3个关键因子。研究结果为L-Phe的发酵放大提供了依据。     

抗肿瘤银杏内生真菌Aspergillus oryzae YX-5发酵 培养基的优化

【目的】对一株具有抗肿瘤活性的银杏内生真菌Aspergillus oryzae YX-5的发酵培养基进行优化。【方法】以发酵后的菌体干重、粗提物质量和粗提物抗肿瘤活性为指标,通过单因素实验选出合适的碳源和氮源,再以选出的碳源、氮源以及K2HPO4、MgSO4·7H2O、KCl共5个因素进行正交实验,确定出最适宜的发酵培养基配方。【结果】YX-5的最佳发酵培养基配方为葡萄糖45 g/L,蛋白胨8 g/L,K2HPO4 0.5 g/L,MgSO4·7H2O 0.2 g/L,KCl 1 g/L,FeSO40.01 g/L。优化后菌体干重、代谢物的产量和抗肿瘤活性分别提高了41.88%、226.52%和19.31%。【结论】通过对米曲霉菌(Aspergillus oryzae)YX-5的发酵培养基进行优化,明显提高了粗提物产量和抗肿瘤活性,这对后期规模化发酵中减小发酵规模和降低工作量十分有利。     

天蓝色链霉菌代谢物组测定方法优化及其代谢特征

链霉菌能够产生多种抗生素,具有重要的研究与应用价值。代谢物组学能够定性和定量测定胞内外主要低分子量代谢产物。相对于其他组学,代谢物组学在监控胞内代谢状态、指导物种理性改造方面具有独特优势。本文旨在建立一种快速、准确的链霉菌胞内代谢物分析方法。以模式菌株天蓝色链霉菌为研究对象,基于GC-MS分析平台优化了代谢物组学样品制备流程中的细胞淬灭时间、菌体分离方法、代谢物提取及代谢物衍生化条件,并利用该方法对天蓝色链霉菌不同生长时期各代谢途径的相对活性进行了初步分析。采用"低温淬灭(–40℃,4 min)-快速过滤分离-反复冻融(45 s/3 min)-衍生化(40℃,90 min)"的流程能够鉴定出中心代谢途径(糖酵解、戊糖磷酸途径和TCA循环)、氨基酸代谢途径、脂肪酸代谢途径、核酸代谢途径及部分次级代谢途径中的103种主要代谢物。利用该流程测定发现天蓝色链霉菌细胞生长周期中存在显著的代谢时序差异,并且发现氨基酸与脂肪酸代谢在衔接初级代谢与次级代谢生物合成中具有重要作用。本研究建立的测定方法能够有效地用于天蓝色链霉胞内代谢物分析,该方法将有助于深入刻画链霉菌细胞代谢过程,为菌株代谢工程改造增加次级代谢产物产量提供理性指导。     

利用转录调控因子Bas1p和Bas2p协同作用提高酿酒酵母cAMP产量的研究

【目的】研究转录调控因子Bas1p和Bas2p协同作用对重组酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)胞外c AMP产生的影响,初步优化发酵培养基。【方法】通过共整合表达策略,在c AMP产生菌酿酒酵母G5中超表达Bas1p和Bas2p,摇瓶发酵实验考察了Bas1p和Bas2p协同作用对菌株生长及胞外c AMP产生的影响,进一步考察了酵母粉和蛋白胨含量及前体物腺嘌呤对菌株生长和c AMP产生的影响。【结果】超表达Bas1p和Bas2p使菌株在1×YP培养基中发酵120 h时的c AMP产量较出发菌株提高51.4%,达到2 253.8μmol/L;将1×YP中的酵母粉和蛋白胨含量翻倍(即2×YP培养基)发酵120 h时的c AMP产量提高至4 450.4μmol/L;在2×YP培养基中添加0.5 g/L浓度的腺嘌呤时,c AMP产量进一步提高至5 314.3μmol/L。【结论】强化Bas1p和Bas2p的协同作用及相应地优化培养基组分有助于酿酒酵母胞外c AMP生产。     

甘油对粒毛盘菌DP5胞外多酚积累的影响

【目的】探明以甘油为碳源促进粒毛盘菌DP5积累多酚的可能原因。【方法】对碳源种类、甘油浓度、曲酸、抑制剂和前体等对多酚产量和生物量的影响进行分析。【结果】以甘油为碳源,能显著提高粒毛盘菌胞外多酚产量。甘油浓度为20 g/L时,胞外多酚产量最高,达到0.664 g GAE/L,并在发酵液中检测到曲酸,其含量为0.25 g/L。向以蔗糖为碳源的发酵液添加曲酸,胞外多酚含量从0.209 g GAE/L提高至0.376 g GAE/L。以甘油为碳源的发酵液中,酚氧化酶活性较低。粒毛盘菌DP5通过莽草酸途径和聚酮途径合成多酚,甘油有利于莽草酸途径和聚酮途径前体物质的合成。【结论】粒毛盘菌以甘油为碳源合成出曲酸,曲酸抑制多酚向黑色素的转化;甘油促进多酚前体的合成,从而提高了粒毛盘菌胞外多酚的积累量。     

提高光滑球拟酵母乙酰辅酶A水平促进a-酮戊二酸合成

【目的】为了了解光滑球拟酵母中乙酰辅酶A含量对其碳代谢及其通量的影响。【方法】将来源于酿酒酵母中编码乙酰辅酶A合成酶ACS2基因过量表达于发酵法生产丙酮酸的生产菌株Torulopsis glabrata中,获得了一株乙酰辅酶A合成酶活性提高9.2倍(1.20 U/mg protein)的重组菌T. glabrata ACS2-1。【结果】与出发菌株WSH-IP303相比,重组菌T. glabrata ACS2-1：(1)能以乙酸为唯一碳源在胞内积累0.94 mmol/(L·g DCW)的乙酰辅酶A;(2)以葡萄糖为唯一碳源时胞内乙酰辅酶A浓度、a-酮戊二酸产量和Ca-KG/Cpyr是出发菌株WSH-IP303 的3.22、2.05和2.52倍;(3)在葡萄糖培养基中添加4 g/L乙酸,使乙酰辅酶A浓度、a-酮戊二酸产量和Ca-KG/Cpyr是出发菌株WSH-IP303的4.55、2.47和3.75倍,a-酮戊二酸浓度达到17.8 g/L。【结论】这一结果表明,改变细胞内关键辅因子的浓度能使碳代谢流的流向与通量发生改变,从积累丙酮酸转向过量积累a-酮戊二酸。     

离子转运蛋白调控钝齿棒杆菌离子和pH稳态促进L-精氨酸合成

L-精氨酸是一种半必需氨基酸,广泛应用于食品、制药、饲料等行业。【目的】当前对L-精氨酸生产菌株的研究,极少涉及离子转运领域。在本研究中,发现在发酵时适量添加外源K~+有利于促进钝齿棒杆菌(Corynebacterium crenatum) SYPA5-5合成L-精氨酸。【方法】在C. crenatum SYPA5-5发酵培养基外源添加0.5 g/L和2.5 g/L的K_3PO_4,取对数期发酵样品进行转录组数据分析,挖掘出K~+转运相关的阳离子转运ATP酶CTAP1以及单价阳离子/H~+逆转运蛋白Mrp1A,研究其在C. crenatum SYPA5-5快速合成L-精氨酸阶段,对菌株生长及L-精氨酸合成的影响。【结果】对基因ctap1和mrp1分别进行敲除和过表达,深入研究突变株对L-精氨酸合成的影响。研究发现同时过表达离子转运蛋白CTAP1和Mrp1A更有利于胞内离子、pH稳态和渗透压调节,最终提高L-精氨酸的产量。在补料分批发酵中分别过表达Mrp1A、CTAP1以及同时过表达Mrp1A和CTAP1的菌株L-精氨酸产量分别达到61.4 g/L、63.9 g/L和65.3 g/L,产率分别为0.383 g/g、0.392 g/g和0.395 g/g,比C. crenatum SYPA5-5分别提高了34.9%、38.0%和39.1%。【结论】CTAP1是特异性的K~+转运ATP酶,可以将培养基中的K~+运输到胞内。同时Mrp1A可将胞内K~+和Na~+等单价阳离子运输到胞外,将胞外H~+运输至胞内,中和胞内L-精氨酸所导致的碱性环境,从而维持胞内pH稳定。CTAP1和Mrp1A的研究为解析离子转运机制和L-精氨酸合成之间的联系奠定了基础。     

Comparative metabolomics reveals the mechanism of avermectin production enhancement by <Emphasis Type="Italic">S</Emphasis>-adenosylmethionine

It was found that S-adenosylmethionine (SAM) could effectively improve avermectin titer with 30–60 μg/mL addition to FH medium. To clearly elucidate the mechanism of SAM on intracellular metabolites of Streptomyces avermitilis, a GC–MS-based comparative metabolomics approach was carried out. First, 230 intracellular metabolites were identified and 14 of them remarkably influenced avermectin biosynthesis were discriminative biomarkers between non-SAM groups and SAM-treated groups by principal components analysis (PCA) and partial least squares (PLS). Based on further key metabolic pathway analyses, these biomarkers, such as glucose, oxaloacetic acid, fatty acids (in soybean oil), threonine, valine, and leucine, were identified as potentially beneficial precursors and added in medium. Compared with single-precursor feeding, the combined feeding of the precursors and SAM markedly increased the avermectin titer. The co-feeding approach not only directly verified our hypothesis on the mechanism of SAM by comparative metabolomics, but also provided a novel strategy to increase avermectin production.     

红色红曲菌M7的丝衣霉酸基因簇及其功能研究

【目的】明确红色红曲菌(Monascus ruber) M7的基因组中是否存在丝衣霉酸(byssochlamic acid, BA)基因簇,并探讨BA基因簇中聚酮合酶基因mr-Bys及3-羟酰基辅酶A脱氢酶基因mr-hdh对BA产生的影响。【方法】采用生物信息学方法对M7基因组进行分析,以确定BA候选基因簇;以基因敲除及过表达方法研究mr-Bys和mr-hdh对BA产生的影响;以超高效液相色谱(ultra-performance liquid chromatography, UPLC)和质谱(mass spectrometry, MS)方法分析BA。【结果】在红色红曲菌M7基因组中发现了BA基因簇,敲除mr-Bys后,BA消失,而敲除和过表达mr-hdh均可影响BA的产生。【结论】红色红曲菌M7基因组中存在BA基因簇,可产生BA。研究结果不仅丰富了红曲菌次生代谢产物及其合成途径的相关研究,也为以红曲菌为菌种开发新产品奠定了基础。     

植物乳杆菌CCFM8724抑制双菌生物膜的成分初探

【背景】植物乳杆菌是一种重要的益生菌,本实验室前期研究表明植物乳杆菌CCFM8724发酵液可抑制变异链球菌和白色念珠菌双菌生物膜,但植物乳杆菌发酵液中起作用的具体物质尚不清楚。【目的】评价植物乳杆菌CCFM8724发酵液抑菌成分的特性,初步探究其物质基础。【方法】探索温度、pH等因素对抑菌物质的影响,采用气相色谱-质谱(Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC-MS)联用技术分析植物乳杆菌代谢物的组成,进一步通过有机溶剂萃取、超滤等方法初步分离纯化发酵液中抑制双菌生物膜的成分,并采用液相色谱-质谱(Liquid Chromatography-Mass Spectrometry,LC-MS)联用技术进行鉴定。【结果】通过多元统计分析,发现植物乳杆菌发酵液的主要差异标志物为有机酸(如苯乳酸、乙酸、羟基己酸和甘油酸等),经过初步提取鉴定并进行功能验证,其中有效成分主要为有机酸和环肽类化合物。【结论】植物乳杆菌CCFM8724发酵液主要通过多种有机酸和环肽类的协同作用抑制变异链球菌和白色念珠菌生物膜,该研究为植物乳杆菌发酵液进一步的分离纯化和有效成分的生产...     

阻断消耗途径提高毕赤酵母工程菌S-腺苷甲硫氨酸产量

【背景】S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosyl-L-methionine, SAM)作为所有生物体内的重要中间代谢物,不仅可作为膳食补充剂,还具有良好的临床应用价值。【目的】将毕赤酵母重组菌GS115/DS16的SAM消耗途径阻断,进一步提高SAM的产量。【方法】分别敲除毕赤酵母重组菌GS115/DS16的S-腺苷同型半胱氨酸水解酶基因sah1、S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶基因spe2和L-甲硫氨酰tRNA合酶基因msm1,构建工程菌G/Dsah、G/Dspe和G/Dmsm。检测3个工程菌的生长和SAM产量,以及L-Met添加量对SAM积累的影响。【结果】与出发菌GS115/DS16相比,工程菌G/Dsah、G/Dspe和G/Dmsm的单位菌体SAM产量分别提高了29.3%、55.6%和24.8%,其生长无显著差异。L-Met添加量优化后(0.06%),G/Dsah和G/Dmsm单位菌体的SAM产量分别提高了26.4%和28.9%。【结论】构建的毕赤酵母工程菌可用于SAM的工业化生产,该代谢工程策略可用于改进其他化学品的生产。     

鸡源暹罗芽孢杆菌CML548的益生特性及全基因组分析

【背景】芽孢杆菌是用于动物微生态制剂的重要菌株之一。暹罗芽孢杆菌因具有较强的抑菌活性,近年来受到广泛关注。【目的】对实验室前期分离的鸡源暹罗芽孢杆菌CML548的益生特性进行评价,通过全基因组测序及生物信息学分析,探究其抑菌及潜在的益生机制。【方法】通过牛津杯法、稀释涂布平板法分别对菌株CML548的抑菌和产酶特性、酸和胆盐的耐受性进行研究。使用IlluminaHiSeq2500测序平台进行全基因组测序,并通过多种生物信息学工具和数据库对基因组进行注释和分析。【结果】体外实验表明该菌株具有优良的益生性状：能够有效抑制致病性大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、产气荚膜梭菌的生长;能够同时产生蛋白酶、淀粉酶和纤维素酶;具有较高的酸和胆盐耐受性。全基因组测序分析表明菌株CML548的基因组大小为4061741bp,GC含量为46.07%,预测到3 961个编码基因。分别有1 693、2 704、3 413、186、67、1、5个基因被GO、KEGG、COG、CAZy、DBAASP、CARD、VFDB数据库注释;通过antiSMASH预测到16个与次级代谢产物合成相关的基因簇。此外,还发现其含有抗菌活性...     

构建链霉菌无细胞平台挖掘套索肽类天然产物

【目的】套索肽作为一类核糖体翻译后修饰肽(RiPPs)广泛分布于放线菌中,以其独特的修饰结构和多样的生理活性受到了广泛的关注。为了更好地研究未知的套索肽,期望开发基于链霉菌的无细胞转录翻译平台(下称“无细胞平台”)实现无细胞合成套索肽或其前体肽。【方法】首先尝试以不同的链霉菌构建无细胞合成平台,并以绿色荧光蛋白为报告蛋白对平台产率进行优化;在构建合适稳定的表达体系后,将包含有套索肽生物合成基因的质粒引入体系中以探索套索肽的无细胞合成。【结果】在对基于模式菌株Streptomyces lividans TK24的无细胞体系进行制备工艺、体系组分、反应条件等多个参数进行优化后,该体系最高能达到90μg/mL的荧光蛋白表达量;基于该体系成功表达了目标套索肽的前体肽,并通过融合SUMO标签增加前体肽在该体系中的稳定性。【结论】本研究成功构建了一类链霉菌无细胞平台,为丰富来源的基因表达提供了可能性。尽管该体系在对表达套索肽未知蛋白的适用性上仍有待进一步提升,但无细胞平台在天然产物的探索中将起到越来越重要的作用。     

少根根霉产孢能力、变种与发酵产物的相关性

[目的]探究少根根霉不同生态环境、不同地理位置、不同产孢能力和不同分类学变种的发酵产物多样性及相关性,为工业生产提供指导.[方法]代表性的68株少根根霉菌株于糯米培养基中进行液态发酵,利用高效液相色谱法测定各种发酵产物浓度,计算发酵产物间的Pearson相关系数,通过多因素方差分析和主成分分析解析各类菌株与发酵特性的相...     

盐水球菌Salinicoccus ventosaetal B2-3-5的代谢产物分析及其抑制酪氨酸酶活性的机制

[背景] 酪氨酸酶是黑色素合成过程中的关键酶,也是引起人体色素障碍性疾病和产生果蔬酶促褐变的主要原因。目前,酪氨酸酶抑制剂的开发已引起广泛关注,但一些酪氨酸酶抑制剂如熊果苷、曲酸等均存在一定的安全隐患。微生物资源丰富且具有许多优点,从微生物中寻找特异性强、高效的酪氨酸酶抑制剂已成为该领域研究的热点。[目的] 通过测定分离自新疆乌鲁木齐达坂城盐湖的盐水球菌Salinicoccus ventosaetal B2-3-5和B6-1-4代谢物提取物对酪氨酸酶活性的影响,比较2株菌发酵过程中代谢物的差异,了解所筛选菌株B2-3-5抑制酪氨酸酶活性的机制。[方法] 以曲酸为阳性对照分别测定B2-3-5和B6-1-4这2个菌株发酵产生的代谢物提取物对蘑菇酪氨酸酶的抑制活性;应用LC-MS代谢组学方法检测2株菌在相同条件下产生的所有代谢物质;采用单变量、多元变量、正交偏最小二乘判别分析（Orthogonal Partial Least Squares-Discrimination Analysis,OPLS-DA）法识别差异代谢物;利用层次聚类分析（Hierarchial Cluster Analysis,HCA）法对识别的差异物进行聚类分析;通过Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes （KEGG）代谢通路对比法分析这些差异代谢物主要参与的代谢途径。[结果] 菌株B2-3-5代谢物提取物对蘑菇酪氨酸酶二酚酶活性的抑制率为67%,其IC₅₀为0.277 mg/mL,同属菌株B6-1-4代谢物提取物则对酪氨酸酶无抑制活性。采用代谢组学的检测方法从2株菌的代谢物中筛选出63个差异代谢物,其中氨基酸类化合物、维生素类化合物和羧酸类化合物的种类及相对含量均是B2-3-5菌株明显高于B6-1-4菌株。通过代谢途径分析发现这些差异代谢物主要参与15个代谢通路,其中维生素B6生物合成通路的影响较为显著。[结论] 推测B2-3-5菌株可能是通过增加一些氨基酸类、维生素类及羧酸类等小分子化合物的含量来抑制酪氨酸酶活性。维生素B6代谢途径的上调也表明菌体细胞可通过产生维生素B6与酪氨酸酶中的必需氨基作用或清除酶催化循环过程中产生的活性氧自由基（reactive oxygen species,ROS）来抑制酪氨酸酶活性。     

基因组分析揭示拟茎点霉XP-8产松脂醇及其糖苷等多种次级代谢产物的合成途径

【目的】通过解析拟茎点霉属XP-8的基因组序列信息,揭示该菌株潜在的代谢途径,并分析松脂醇及其糖苷化合物等次级代谢产物生物合成相关的关键基因。【方法】使用Illumina Hi Seq 2500高通量测序平台对拟茎点霉XP-8菌株进行全基因组测序,并通过不同软件对测序数据进行序列拼接,基因预测与功能注释。【结果】组装后的拟茎点霉XP-8基因组大小为55.2 Mb,GC含量53.5%,含有17094个蛋白编码基因和310个非编码基因。获得了松脂醇及其糖苷化合物等次级代谢产物生物合成相关的基因。系统发育分析揭示出拟茎点霉XP-8与5种子囊菌共有12635个同源基因和5626个基因家族。【结论】拟茎点霉XP-8具有用于合成松脂醇及其糖苷化合物等多种次级代谢物的基因组基础,为下一步的代谢工程改造提供依据。