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。     

产辅酶Q10酵母的发酵条件研究

研究了豆油、豆粉、胡萝卜汁、西红柿汁、烟叶、β-胡萝卜素、桔子皮汁等自然物的添加对酵母发酵生产CoQ10的影响,结果表明它们均能大幅度提高酵母菌中CoQ10的含量。其中豆油、豆粉、西红柿汁、桔子皮汁是富含CoQ10。和胡萝卜素合成途经中的前体物质因而提高了CoQ10的产量;烟叶和β-胡萝卜素阻断了合成β-胡萝卜素的途经从而起到提高CoQ10合成的作用;胡萝卜汁的作用可能两兼而有之。因此可以得出以下结论,微生物中Co10的合成与β-胡萝卜素的合成密切相关。     

高产β-胡萝卜素酿酒酵母菌株的设计与构建

酿酒酵母是一种重要的食品安全的工业微生物宿主。如何精确地控制代谢路径中相关基因的表达强度,是在酿酒酵母体内合成β-胡萝卜素的关键因素。通过在Delta位点整合红发夫酵母来源的β-胡萝卜素合成基因(crt E、crt I、crt YB),构建β-胡萝卜素生产菌库。从中挑选28株颜色较黄的菌株,通过96孔细胞培养板及摇瓶发酵,发现这些菌株β-胡萝卜素产量存在显著差异(产量从5.70mg/L到61.88mg/L动态分布)。然后以其中β-胡萝卜素产量最高的菌为出发菌(Sy BE_Sc118012),在敲除该菌株内源基因ypl062w的同时,在此位点过表达t HMG1和BTS1-ERG20融合蛋白以增加前体供应,最终使β-胡萝卜素的产量提高1.65倍,达到162.1mg/L,是目前已知的摇瓶水平最高发酵产量。因此,通过Delta位点整合和增加前体供应结合的策略来强化酿酒酵母中的异源表达具有重要的指导意义。     

发酵促进剂对三孢布拉氏霉菌发酵产β-胡萝卜素的影响

通过单因素实验研究了不同浓度的酮康唑,表面活性剂(Span-20,Span-60,Tween-80),正十二烷,β-紫罗兰酮对三孢布拉氏霉菌合成β-胡萝卜素的影响。结果表明当酮康唑添加量为0.003%时,β-胡萝卜素的含量由1 125mg·L-1增加至1 425mg·L-1;与Span-60,Tween-80相比,当Span-20的添加量为0.1%时,β-胡萝卜素的含量最大提高至1 411mg·L-1;发酵培养基中添加1%的正十二烷,相比空白组的β-胡萝卜素含量提高了9%;β-紫罗兰酮添加量为0.1%时,β-胡萝卜素的含量由1 324mg·L-1提升到1 450mg·L-1。     

氮源种类及溶氧水平对锁掷酵母产类胡萝卜素组分的影响

在锁掷酵母（Sporidioboluspararoseus）发酵产类胡萝卜紊的过程中,发酵产物中类胡萝卜紊种类繁多,而且性质相似,加大了不同色素分离纯化的难度。为定向积累不同种类的类胡萝卜素,以本实验室保藏锁挪酵母JD-2为出发菌,研究了氮源种类和浓度及溶氧对锁掷酵母产类胡萝卜素的影响,并在7L发酵罐中进行了补料分批发酵试验。发现培养基中同时添加有机氮源和无机氮源且溶氧控制较低（5％）时有利于β-胡萝卜素的大量积累,最佳有机氮源和无机氮源分别为玉米浆（20g／L）、硫酸铵（5g／L）。补料分批发酵时β-胡萝卜素产量达到31．28mg／L,红酵母烯12．38mg／L。培养基中只添加有机氮源且相对溶氧控制相对较高（30％）时有利于红酵母烯的大量积累,最佳有机氮源为酵母膏（20g／L）。补料分批发酵时红酵母烯产量达到38．96mg／L,8．胡萝卜素12．36mg／L。     

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...     

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。     

法夫酵母中产类胡萝卜素特性与其合成相关基因表达关系的研究

为研究法夫酵母中类胡萝卜素合成代谢调控机理,通过高效液相色谱法和实时定量PCR技术分别对JMU-VDL668和JMU-N3法夫酵母菌株中类胡萝卜素和类胡萝卜素合成相关基因的表达差异进行分析,并研究了在JMU-VDL668菌株培养过程中添加β-胡萝卜素对其产虾青素的影响。结果显示,法夫酵母类胡萝卜素代谢途径的关键酶crt E,crt YB,crt I和crt S基因在JMUVDL668菌株中的表达水平整体低于JMU-N3菌株,而JMU-N3菌株中没有检测到crt R基因的表达。在JMU-VDL668菌株培养过程中添加β-胡萝卜素发现,在72 h和96 h添加时能促进虾青素的合成,其中96 h添加时所得虾青素比对照组提高了83%。结果表明,这两株菌的产类胡萝卜素特性与类胡萝卜素合成相关基因的表达量存在一定的正相关关系,且JMU-VDL668菌株中总类胡萝卜素细胞产率在一定范围内,可能存在反馈调节机制。     

补料发酵法制备β-葡萄糖苷酶的研究

研究了黑曲霉制备β-葡萄糖苷酶液态发酵过程中添加麸皮和纤维二糖的补料工艺.补料量及补料次数影响着β-葡萄糖苷酶的分泌.经过四次补加1%菌麸皮干粉,发酵液中β-葡萄糖苷酶活力由未补料的1.72 U/mL增加到5.07 U/mL,提高了近3倍.而且,添加麸皮浸提液能达到同样效果.采用分批补料工艺产酶时,初始浓度为3%的麸皮用量比较适宜,其蛋白含量和β-葡萄糖苷酶的活力均为最高,分别达到0.69nag,/mL和7.00 U/mL.在补料总量和补料次数相同的情况下,以递减方式补料效果最好,产酶达7.34 U/mL.补加纤维二糖对β-葡萄糖苷酶的分泌具有一定的诱导作用,在接种培养48h时补加0.2%纤维二糖比较适宜.研究表明,分批补料发酵有利于黑曲霉分泌β-葡萄糖苷酶,是一种很好的提高酶产量的方法.     

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。     

粘性红圆酵母XJU-1产β-胡萝卜素的研究

目的:从粘性红圆酵母Rhodotorula mucilaginosaXJU-1中提取β-胡萝卜素并对其特性加以研究。方法:采用酸热法对发酵产物破壁,用丙酮∶石油醚(1∶1)萃取β-胡萝卜素,采用GB/T 5009.83-2003的HPLC方法测定β-胡萝卜素含量,以448nm波长的紫外分光光度吸收值计算出色素损失率来探讨β-胡萝卜素的稳定性。结果:该菌株在液体发酵培养基中生长72hβ-胡萝卜素含量高达389.2μg/g干重,经实验确定,葡萄糖是最有利于β-胡萝卜素生成的碳源;蛋白胨是生产β-胡萝卜素的最佳氮源。提取的β-胡萝卜素耐热性较好,需置于暗处保存。结论:该菌种β-胡萝卜素产率明显高于国内外已报道的,有很好的开发前景。     

β-胡萝卜素的生物合成与发酵促进剂

本文论述了β－胡萝卜素的生物合成途径及某些发酵助剂对微生物产β－胡萝卜素的影响。据对甘些植物和真菌产生β－胡萝卜素的研究,认为β－胡萝卜素及相关类胡萝卜素是一类自己酰ＣＯＡ开始的次生代谢产物。通过大量的研究实例表明,添加合适的发酵促进剂是提高β－胡萝卜素产量和降低生产成本非常有效的工艺学途径。     

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.     

长孢被孢霉利用淀粉质原料发酵产微生物油脂

通过研究长孢被孢霉(Mortierella elongate)的发酵过程,并采用摇瓶分批补料发酵模式考察了起始补料时间及补料基质对长孢被孢霉合成微生物油脂的影响。结果发现该菌株合成油脂主要在发酵48~96 h进行,且N源对菌株的生长有促进作用,采用限氮补料发酵可大幅度提高微生物油脂的产量。最适培养条件:可溶性淀粉20 g/L,玉米浆3 g/L,补料起始时间为发酵48 h,单次补加可溶性淀粉4 g。在此条件下,油脂产量较不补料时增加了521.74 mg,增长率为237.1%。     

β-胡萝卜素合成的代谢工程研究进展

β-胡萝卜素是自然界中最重要的商业化生产的植物色素之一,具有多种生理功能和生物活性。自上世纪60年代开始,随着系统生物学概念的提出以及对类胡萝卜素合成途径研究的不断深入,系统代谢工程在提高类胡萝卜素产量方面发挥了重要作用。文中在介绍β-胡萝卜素传统生产方法的基础上,重点介绍了如何运用系统代谢工程手段构建β-胡萝卜素高产菌株,并分析了进一步提高工程菌β-胡萝卜素产量所面临的主要问题及可能的解决方案,为β-胡萝卜素的高效生产提供了思路。     

补料工艺对两株法夫酵母菌株产虾青素的影响

【目的】考察不同补料工艺对法夫酵母菌株生长和虾青素合成的影响。【方法】对法夫酵母JMU-VDL668和JMU-MVP14菌株在7 L罐中进行分批及分批补料培养; 同时, 测定发酵过程中生物量、虾青素和葡萄糖含量的变化。【结果】采用恒DO补料, 法夫酵母JMU-VDL668菌株获得的生物量最大(64.6 g/L), 是分批培养的2.2倍; 采用恒pH补料发酵, 虾青素的产量最高(20.6 mg/L), 是分批培养的1.5倍。与JMU-VDL668菌株不同, 虾青素高产菌株JMU-MVP14菌株采用恒pH补料, 获得生物量最大(48.5 g/L), 但虾青素产量大大降低(仅17.5 mg/L); 采用脉冲补料, 虾青素产量最高, 达到414.1 mg/L, 与分批发酵相比提高了200.2%; 采用恒DO补料, 生物量(38.5 g/L)和虾青素产量(403.2?mg/L)增加显著, 与分批发酵相比分别提高了133.1%和192.3%。【结论】不同补料工艺对法夫酵母菌株生产虾青素影响很大。其中, 采用恒pH补料工艺, 法夫酵母JMU-VDL668菌株可以获得最高的虾青素产量, 而采用脉冲补料工艺, 最适于法夫酵母JMU-MVP14菌株发酵生产虾青素。     

Kitasatospora sp. MY5-36产ε-聚赖氨酸分批补料发酵动力学

以北里孢菌(Kitasatospora sp.)MY 5-36为供试菌株,对ε-聚赖氨酸分批补料发酵动力学模型进行研究。建立了该菌株发酵合成ε-聚赖氨酸的菌体生长、产物合成和总糖消耗的动力学模型,并通过Origin 8.1软件对模型参数进行非线性拟合。结果表明:菌体量和聚赖氨酸的产量分别为16.25和13.15 g/L,产物合成与菌体生长的关系为部分耦联型。经验证,预测值与实验值有良好的拟合性,拟合度分别为0.999、0.995和0.992,说明所构建模型能够较好地反映ε-聚赖氨酸分批补料发酵过程。     

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。     

基于工程化毕赤酵母一锅法合成硫酸软骨素A北大核心CSCD

硫酸软骨素(chondroitin sulfate,CS)是一种线性多糖,广泛应用于医疗和保健等领域。相比于传统动物组织提取法,微生物合成硫酸软骨素具有可控、易规模化放大等优势。为实现硫酸软骨素A(CSA)的高效合成,本研究首先通过整合软骨素合酶编码基因kfoC、kfoA以及UDP-葡萄糖脱氢酶编码基因tuaD至毕赤酵母GS115基因组中,构建了以甘油为唯一碳源发酵生产软骨素的毕赤酵母工程菌株。通过进一步优化软骨素合成途径,软骨素分批补料发酵水平达到2.6 g/L。在进一步整合表达软骨素-4-O-磺基转移酶的基础上,本研究通过向生产软骨素毕赤酵母工程菌株破碎液中添加3′-磷酸腺苷-5′-磷酰硫酸和软骨素-4-O-磺基转移酶,成功建立了CSA的一锅法生物合成体系。通过优化,最终实现0-40%不同磺酸化水平CSA的可控合成。本研究中CSA的一锅法生物合成体系操作简便、易放大,更适用于工业化大规模生产。本研究结果也为肝素等其他糖胺聚糖的合成提供了思路。     

利用发酵促进剂提高红酵母β-胡萝卜素产率

为提高红酵母生物合成β-胡萝卜素的产量,分别研究了几种添加物对发酵过程的促进效应。试验结果表明：分别添加硫胺素、核黄素、大豆油和番茄汁可以显著促进红酵母合成β-胡萝卜素。当按单因素试验确定的最优添加量联合添加硫胺素1.5mg/L、核黄素3mg/L、大豆油5mg/L、番茄汁6mg/L时,试验证实β-胡萝卜素发酵产率可比对照提高80%以上,值得进一步研究。