一株新的产吡咯喹啉醌甲基营养菌全基因组测序和比较基因组学分析

【背景】由于甲基营养菌被发现的时间较短,而且可以生产吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone,PQQ)的甲基杆菌属细菌只有少数菌株的全基因组序列被公布,增加了该类细菌基因组学和生物代谢途径研究的难度。【目的】将本实验室筛选的PQQ生产菌经多种诱变方式处理,用于提高PQQ的发酵产量。对高产突变菌株进行全基因组解析,以探究甲基杆菌PQQ合成的分子机制,为后续分子育种提供序列背景信息。【方法】将野生型PQQ生产菌株进行紫外诱变、亚硝基胍诱变、甲基磺酸乙酯诱变、硫酸二乙酯诱变和紫外-氯化锂复合诱变。将突变菌株利用PromethION三代测序平台和MGISEQ-2000二代测序平台测序,然后进行组装和功能注释。组装得到的全基因组序列与模式菌株扭脱甲基杆菌AM1 (Methylobacterium extorquens AM1)进行比较基因组学分析。【结果】经11轮诱变获得一株突变菌株NI91,其PQQ产量为19.49 mg/L,相较原始菌株提高44.91%。突变菌株NI91的基因组由一个5 409 262 bp的染色体组成,共编码4 957个蛋白,与模式菌株M. extorquens AM1比较发现其PQQ合成过程中剪切加工相关的基因pqqF和pqqG缺失,但首次在甲基营养菌中发现与基因pqqF具有相似功能的基因pqqL,且基因pqqC/D的序列存在较大差异。【结论】为甲基营养类细菌甲基杆菌的功能基因组学研究及PQQ合成机理研究提供了基础数据支持,NI91与模式菌株M. extorquens AM1的比较基因组学分析为揭示PQQ合成的不同机理提供了分子基础。     

高产吡咯喹啉醌扭脱甲基杆菌的高通量选育

吡咯喹啉醌(PQQ)是一种细菌脱氢酶的辅酶,具有促进机体生长、调节机体自由基水平等功能,应用于食品、医药等领域。由于化学合成法成本较高,微生物发酵法生产PQQ受到关注。目前,发酵法生产PQQ产量较低,限制了其工业应用。然而,由于对PQQ菌株的合成与调控机制尚缺乏深入理解,以及对野生型菌株缺乏必要的基因工程改造手段,目前采用代谢工程强化PQQ合成菌株还缺乏相关基础。因此,本研究以扭脱甲基杆菌Methylobacterium extorquens I-F2为研究对象,整合常压室温等离子体诱变、流式细胞术分选和高通量筛选策略,对样品制备和流式分选过程进行优化,最终筛选出一株PQQ高产突变菌株1-C6,PQQ产量比出发菌株I-F2提高98.02%。本文所述的流式细胞术结合高通量筛选方法能简单、快速地获得高产突变菌株,相比于基因工程改造和传统筛选方法,具有提升效果明显且易于实施等优势。     

高产洛蒙真菌素洛蒙德链霉菌高通量筛选方法的建立与复合育种

[背景]洛蒙德链霉菌S015能生物合成具有广谱抗菌活性的吩嗪类化合物洛蒙真菌素。[目的]因S015菌株的洛蒙真菌素产量较低,将S015菌株经复合诱变育种和基因工程改造,提高洛蒙真菌素产量。[方法]建立洛蒙真菌素产生菌的高通量筛选方法,对出发菌株S0 15进行常压室温等离子体(atmospheric and room temperature plasma,ARTP)技术和紫外复合诱变,筛选得到高产菌株;并在高产菌株上敲除洛蒙真菌素的前体分支酸竟争途径中的关键基因trpE1、trpE2,再过表达全局调控基因afsR。[结果]利用洛蒙真菌素在紫外波长375 nm处的特征吸收峰,以及洛蒙真菌素浓度和375 nm处吸光度值的正相关关系,建立了基于24孔深孔板发酵和酶标仪快速检测的高通量筛选方法。经过6轮ARTP和紫外复合诱变及高通量筛选,从4 320株突变株中筛选得到遗传稳定的高产菌株M6,其洛蒙真菌素的产量为61.33 mg/L,是S015菌株的7.35倍;M6菌株的分支途径基因trpE1、trpE2双敲株的洛蒙真菌素产量为81.89 mg/L,是S015菌株的9.82倍;在该基因工程菌株中过表达全局调控基因afsR,产量为109.53 mg/L,是S015菌株的13.13倍。[结论]建立的高通量筛选方法可以有效筛选高产洛蒙真菌素的突变株,并且操作简单快速。通过ARTP和紫外复合诱变,结合高产株M6的基因工程改造,能进一步提升洛蒙真菌素的产量。     

常压室温等离子体诱变高通量筛选N-乙酰氨基葡萄糖高产突变株

采用新型常压室温等离子体(ARTP)诱变产N-乙酰氨基葡萄糖工程菌BSGN6,并应用显色法和96孔板培养方法筛选N-乙酰氨基葡萄糖高产突变株.研究表明显色反应时添加四硼酸钾溶液1 μL、PDABA 125 μL、反应时间5 min、反应温度96 ℃时,N-乙酰氨基葡萄糖检测的准确度最高.通过多轮ARTP诱变及高通量筛选最终获得突变株(4A12),3L罐发酵GlcNAc产量达到36.14 g/L,较出发菌株(BSGN6)提高了65.32％.经过50次传代后性状稳定.ARTP诱变技术作为获得产N-乙酰氨基葡萄糖高产菌株的有效途径,与分子生物学手段相比,本方法更加快捷高效.     

常压室温等离子体(ARTP)诱变及高通量筛选那西肽高产菌株

采用新型常压室温等离子体(ARTP)诱变活跃链霉菌(Streptomyces actuosu),并应用抑菌圈和48孔板培养方法高通量筛选高产那西肽菌株。研究表明抑菌圈径的大小与48孔板效价之间以及48孔板效价与摇瓶效价之间均有较好的相关性,系数R分别达到0.534和0.896。通过多轮ARTP诱变及高通量筛选最终获得了3株相对效价提高50%以上的遗传性能稳定的突变株。ARTP诱变技术作为获得那西肽高产菌株的有效途径,与传统摇瓶发酵筛选相比,48孔板及抑菌圈法能显著提高那西肽高产菌株的筛选效率。     

常温常压等离子体诱变选育高产L-异亮氨酸大肠杆菌

旨在选育L-异亮氨酸高产大肠杆菌.以大肠杆菌K12(Met-)为出发菌株,经常温常压等离子体(ARTP)诱变,通过微生物高通量液滴培养系统(MMC)筛选,以α-氨基丁酸(α-AB)抗性为筛选标记,得到一株高产L-异亮氨酸的突变菌株大肠杆菌NXU12,并对其遗传稳定性进行了研究.结果表明,出发菌株大肠杆菌K12(Met-...     

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。     

高产3-羟基丁酮解淀粉芽孢杆菌的选育及发酵优化

3-羟基丁酮(Acetoin)作为一种重要的食用香料和平台化合物被广泛应用于医药、食品等领域。为改善解淀粉芽孢杆菌Bacillus amyloliquefaciens的3-羟基丁酮生产能力,采用常压室温等离子体(ARTP)和~(60)Coγ射线进行复合诱变,以3-羟基丁酮产量为分析指标,筛选获得最优突变株B.amyloliquefaciens H-5,3-羟基丁酮产量为68.2 g/L。为进一步实现3-羟基丁酮的高效生产,对此突变株进行5 L发酵罐水平的培养条件优化,并于30 L发酵罐上进行放大培养,最终3-羟基丁酮产量达85.2 g/L,较出发菌株B.amyloliquefaciens FMME088提高了26.8%。上述研究结果表明,ARTP和~(60)Coγ射线复合诱变能够有效获得高产菌株,该突变株具有较高的工业化微生物发酵生产3-羟基丁酮的潜能。     

适应性驯化选育高产吡咯喹啉醌的生丝微菌突变株

吡咯喹啉醌(PQQ)广泛存在于生物体内,具有促进机体生长、维护线粒体功能、促进神经生长因子合成和调节机体自由基水平等生理功能,在医药、食品和化妆品领域具有广阔的应用前景。为提高脱氮生丝微菌Hyphomicrobium denitrificans FJNU-6的PQQ生产性能,文中以高浓度甲醇为拮抗因子进行实验室适应性定向驯化,通过光谱法快速筛选体系,选育PQQ高产正突变株。6轮适应性驯化后,每轮驯化的正向突变率达到90%以上,产量提高1倍的突变株达到10%左右。最后,利用5L发酵罐对突变株FJNU-R8进行分批补料培养,相较于出发菌株,突变株在不同甲醇浓度下pqq和moxF基因簇的表达量较高且差异较小,甲醇消耗和生长速度较慢,PQQ产量达到1 087 mg/L (143 h),单位细胞产量提高了1.42倍,展现出良好的工业应用潜力。文中所述的适应性定向驯化结合快速筛选体系能简单、快速地获得高产PQQ的生丝微菌突变菌株,对其他甲基营养菌高产PQQ突变株的高通量筛选具有借鉴作用。     

聚唾液酸高产菌株的高通量诱变选育及发酵工艺优化

从自然水体中筛选得到1株产聚唾液酸的微生物菌株SA-1,经Biolog生化和分子生物学分析,鉴定其为大肠杆菌。以大肠杆菌SA-1为出发菌株,通过常压室温等离子体(ARTP)诱变育种,借助酸碱透明圈和高通量自动挑选仪筛选获得高产聚唾液酸的突变菌株SA-18。摇瓶发酵结果显示,大肠杆菌突变株SA-18的聚唾液酸产量可达0.95 g/L,是出发菌株产量(0.20 g/L)的4.75倍;进一步,通过调控优化K₂HPO₄浓度实现了突变大肠杆菌SA-18的高密度发酵：当K₂HPO₄质量浓度为5.0 g/L时,在10 L发酵罐中,36 h时聚唾液酸产量达到12.20 g/L,继续补料发酵,至60 h时,聚唾液酸产量最高可达16.10 g/L。     

新辅基吡咯喹啉醌(PQQ)生物合成基因研究进展

吡咯喹啉醌（Ｐｙｒｏｌｏｑｕｉｎｏｌｉｎｅ－Ｑｕｉｎｏｎｅ,ＰＱＱ）是氧化还原酶的新辅基。它在细菌体内是由一组排列成簇的相关基因即ｐｑｑ基因控制合成的。根据不同细菌来源ｐｑｑ基因的同源性和对应关系,可将ｐｑｑ基因归为７类：簇基因１～７。在Ａｃｉｎｅｔｏｂａｃｔｅｒｃａｌｃｏａｃｅｔｉｃｕｓ中存在其中四个,ＫｌｅｂｓｉｅｌａＰｎｅｕｍｏｎｉａｅ和ＭｅｔｈｙｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍＯｒｇａｎｏｐｈｉｌｕｍＤＳＭ７６０中６个,而Ｍｅｔｈｙｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｅｘ－ｔｏｒｑｕｅｎｓＡＭ１中存在全部７个簇基因。簇基因１编码一个由２２～２９年氨基酸组成的小肽,此小肽可能是ＰＱＱ的前体,簇基因２可能涉及ＰＱＱ跨膜转运,簇基因３可能负责ＰＱＱ合成的最后一步酶催化,簇基因５可能涉及ＰＱＱ合成中某种酶的辅因子合成,簇基因６和７可能负责小肽的加工。簇基因４功能还不清楚,但在Ｍ．ｅｘｔｏｒｑｕｅｎｓＡＭ１中簇基因３和４是以融合基因存在的。     

Characterization and nucleotide sequence of pqqE and pqqF in Methylobacterium extorquens AM1.

Methylobacterium extorquens AM1 pqqEF are genes required for synthesis of pyrroloquinoline quinone (PQQ). The nucleotide sequence of these genes indicates PqqE belongs to an endopeptidase family, including PqqF of Klebsiella pneumoniae, and M. extorquens AM1 PqqF has low identity with the same endopeptidase family. M. extorquens AM1 pqqE complemented a K. pneumoniae pqqF mutant.     

PqqC/D,which converts a biosynthetic intermediate to pyrroloquinoline quinone

PqqC/D was purified from Escherichia coli transformant. The purified enzyme converted an intermediate that accumulated in a pqqC mutant of Methylobacterium extorquens AM1 to PQQ. The reaction did not show any dependence of NAD(P)H that was observed in the crude extract before purification. PqqC/D reacted with the intermediate stoichiometrically, but not catalytically. When partially purified proteins from the crude extract of E. coli were added to the reaction mixture, the rate of PQQ production increased dependent on the amount of NADPH added and the total amount of PQQ produced increased.     

基于ARTP诱变和高通量筛选的绿针假单胞菌GP72育种方法

【目的】绿针假单胞菌GP72是一种植物根围促生细菌,其分泌的次级代谢产物2-羟基-吩嗪(2-OH-PHZ)具有广谱抗真菌活性,但其产量较低,不能满足农业生产的应用需求,因此需对GP72进行改造,从而提高产量。【方法】从GP72的野生株出发,首次将2-OH-PHZ合成途径的限制性因子Phz O用绿色荧光蛋白(GFP)替换,以一种新型的常压室温等离子体技术(Atmospheric and room temperature plasma,ARTP)进行诱变,通过酶标仪测定96孔板中突变株的荧光强度进行高通量筛选;最后将荧光强度高的菌株中绿色荧光蛋白(Green fluorescent protein,GFP)替换为Phz O以获得2-OH-PHZ高产突变株。【结果】经过五轮诱变后,获得一株荧光强度增加1.62倍的突变株,用phz O基因回替后,该突变株在KB培养基中摇瓶培养时2-OH-PHZ的产量为野生型的4.62倍。【结论】基于安全、高效ARTP诱变技术,并以GFP替换限制性因子作为标记进行高通量筛选,可以快速获得高产2-OH-PHZ的GP72突变株,克服了传统诱变育种方法筛选难度大、费时费力的不足,为其它微生物的育种提供了参考。     

常压室温等离子体(ARTP)诱变茂源链霉菌菌株

采用常压室温等离子体（ARTP）诱变技术处理茂源链霉菌（Streptoverticillium mobaraense）菌株HS47的孢子,选育微生物谷氨酰胺转胺酶（MTG）高产菌株。菌株的致死率强度和正突变率高低结果表明,在电源功率为120W,处理距离2mm,工作气流量10slpm时,等离子体氦气对茂源链霉菌HS47孢子的最佳处理时间为30s。将诱变后的孢子液稀释涂布后,利用96孔板高通量筛选方法对单菌落进行初筛,选出高产的突变株进行两轮试管复筛,筛选过程中保持对菌株的分离纯化,最终获得一株高产菌株M-8,其MTG酶活由2.8U/ml提高到5.1U/ml,较出发菌株HS47提高了82%。该菌株的摇瓶发酵实验证明,其酶活的提高是单位菌株分泌的MTG有所增加的结果。经过8次传代,证实该菌株具有良好的遗传稳定性。这为谷氨酰胺转胺酶的工业化生产提供了菌种支持和理论支持。     

Novel and efficient screening of PQQ high-yielding strains and subsequent cultivation optimization

A novel and efficient screening method for pyrroloquinoline quinone (PQQ) high-yielding methylotrophic strains was developed by using glucose dehydrogenase apoenzyme (GDHA) which depended on PQQ as the cofactor. Using this high-throughput method, PQQ high-yielding strains were rapidly screened out from thousands of methylotrophic colonies at a time. The comprehensive phylogenetic analysis revealed that the highest PQQ-producing strain zju323 (CCTCC M 2016079) could be assigned to a novel species in the genus Methylobacillus of the Betaproteobacteria. After systematic optimization of different medium components and cultivation conditions, about 33.4 mg/L of PQQ was obtained after 48 h of cultivation with Methylobacillus sp. zju323 at the shake flask scale. Further cultivations of Methylobacillus sp. zju323 were carried out to investigate the biosynthesis of PQQ in 10-L bench-top fermenters. In the batch operation, the PQQ accumulation reached 78 mg/L in the broth after 53 h of cultivation. By adopting methanol feeding strategy, the highest PQQ concentration was improved up to 162.2 mg/L after 75 h of cultivation. This work developed a high-throughput strategy of screening PQQ-producing strains from soil samples and also demonstrated one potential bioprocess for large-scale PQQ production with the isolated PQQ strain.