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。     

一个甲基转移酶基因lomo3在洛蒙真菌素生物合成途径中的功能

【目的】洛蒙真菌素是在洛蒙德链霉菌(Streptomyces lomondensis)中生物合成的一种具有广谱抑菌活性的吩嗪类抗生素,但其合成机理仍不清晰。在洛蒙德链霉菌S015的洛蒙真菌素生物合成核心基因簇下游,有一甲基转移酶基因——lomo3,研究该基因对洛蒙真菌素生物合成的影响。【方法】对lomo3基因进行无痕敲除得到基因缺失突变株S015Δlomo3,再过表达重组质粒构建回补突变株S015Δlomo3::lomo3,比较两株突变株与野生型S015的发酵产物的变化。【结果】发现基因缺失菌株S015Δlomo3不能合成洛蒙真菌素,而基因回补菌株S015Δlomo3::lomo3则可恢复洛蒙真菌素的合成能力。【结论】甲基转移酶基因lomo3在洛蒙真菌素生物合成过程中起着重要的作用,但该基因的具体功能还有待深入研究。研究对于阐明洛蒙真菌素的生物合成途径具有一定的指导作用。     

洛蒙德链霉菌S015中cutR/cutS双组分调控系统对洛蒙真菌素合成的调控

【背景】cutR/cutS双组分调控系统在链霉菌次级代谢过程中起重要作用。【目的】通过同源重组的方法在野生型S015菌株中分别敲除cutR和cutS,构建单基因缺失突变株,研究cutR/cutS双组分调控系统对洛蒙真菌素合成的调控。【方法】对突变株及野生型菌株的发酵产物进行高效液相色谱法(Highperformanceliquidchromatography,HPLC)分析,通过qPCR测定基因表达量的变化。【结果】HPLC产物分析发现,S015Δcut R和S015Δcut S中洛蒙真菌素产量分别达到了128.1±26.4 mg/L和61.8±4.5 mg/L,分别为野生型S015产量的11.5倍和5.5倍。qPCR检测发现,S015ΔcutR突变株中lomo14、lomo10、lphzB、lphzC、lphzE和lphzG的表达量分别达到野生型的1 151.7±88.8、110.5±5.8、129.3±7.7、380.2±34.6、348.2±42.1和299.8±38.2倍;S015ΔcutS突变株中lomo14、lomo10、lphzB、lphzC、lphzE和lphzG的表达量分别达到野生型的4.3±0.5、2.2±0.2、9.3±0.9、10.3±0.6、20.7±1.5和20.4±0.8倍。【结论】cutR/cutS双组分调控系统在洛蒙德链霉菌的洛蒙真菌素合成过程中对其合成途径核心基因和侧链修饰基因的表达有抑制作用,从而抑制其合成。     

产虫草素酿酒酵母工程菌株的构建与发酵优化

虫草素作为药用真菌蛹虫草的主要活性成分,具有抗肿瘤、抗病毒等多种生理功能。现阶段虫草素主要通过蛹虫草液体发酵生产,但发酵周期长、生产强度低,制约了其大规模开发利用。文中在酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae S288C中异源表达虫草素合成关键基因ScCNS1和ScCNS2,成功构建了产虫草素的酵母工程菌SHC16,发酵240 h虫草素产量可达67.32 mg/L;基因表达分析显示,发酵后期磷酸戊糖途径、嘌呤代谢及虫草素合成途径关键酶编码基因ZWF1、PRS4、ADE4、ScCNS1及ScCNS2表达水平显著上调。进一步地,通过优化发酵培养基组成,确定以50 g/L葡萄糖为初始底物结合一次补料、添加5 mmol/L Cu2+和1.0 g/L腺嘌呤为最适培养基组成。基于此在5 L搅拌发酵罐中开展补料分批发酵,144 h虫草素产量达到137.27 mg/L,生产强度达0.95 mg/(L·h),较未优化发酵体系提高240%。     

枯草芽孢杆菌基因修饰生产核黄素

【目的】研究枯草芽孢杆菌核黄素合成途径、木糖代谢相关基因修饰对核黄素合成的影响。【方法】单独过表达或共同过表达核黄素操纵子中的基因、过表达木糖代谢相关基因构建相应的重组菌株。通过测定和比较重组菌株摇瓶发酵的核黄素产量和生物量,表征各个基因修饰的效应。采用摇瓶和5 L罐发酵,考察木糖作为主要碳源以及木糖与蔗糖共代谢对核黄素发酵的影响。【结果】ribA基因单独过表达,使核黄素产量提高99%,但生物量降低30%,出现细胞自溶现象。ribA-ribH基因共表达,使核黄素产量提高280%,并且无细胞自溶和生物量下降现象。1.5%蔗糖与6.5%木糖作为碳源,5 L发酵罐发酵70 h,核黄素产量达到3.6 g/L,与8%蔗糖为碳源的发酵相比,核黄素产量提高80%。木糖代谢相关基因过表达,均明显降低核黄素产量。【结论】与ribA基因单独过表达相比,ribA-ribH基因共表达可有效避免细胞自溶现象,并能进一步提高核黄素产量。蔗糖与木糖共代谢,能够改善前体物供给,有利于提高核黄素产量。     

1株能利用高粱汁产L-乳酸的菌株鉴定及培养基优化

以产L-乳酸的菌株A2为对象,采用16S rRNA基因测序法结合菌株的表型特征进行鉴定,以甜高粱汁为主要培养基质,采用响应面设计软件对该菌种的发酵培养基进行优化。结果表明,A2菌株为Lactobacillus plantarum S4,优化得到的甜高粱汁培养基配比为甜高粱汁327. 83 g/L,蛋白胨1. 67 g/L,磷酸氢二钾4. 7 g/L,硫酸锰0. 17 g/L,在此培养基配比下,Lactobacillus plantarum S4厌氧发酵68 h后,L-乳酸产量达(61. 20±1. 36) g/L,L-乳酸/葡萄糖转化率(90. 74±2. 28)%,L-乳酸/蔗糖转化率(47. 20±1. 81)%。     

大肠杆菌甘油激酶基因(glpK)和甘油脱氢酶基因(gldA)的敲除及其对甘油产量的影响

利用Red重组系统构建了大肠杆菌JM109甘油激酶基因(glpK)和甘油脱氢酶基因(gldA)缺失的双突变菌株JM109B,然后将表达酿酒酵母3-磷酸甘油脱氢酶基因(GPD1)和3-磷酸甘油酯酶基因(HOR2)的质粒pSE-gpd1-hor2转化到JM109B突变菌株中,在含1%葡萄糖的摇瓶发酵培养基中37℃发酵24 h,甘油的最高产量为5.61 g/L,是原始菌株JM109/pSE-gpd1-hor2甘油产量的1.59倍;在30 L发酵罐中发酵28 h,甘油的最高产量为103.12 g/L,是原始菌株JM109/pSE-gpd1-hor2甘油产量的1.59倍,是原始菌株BL21/pSE-gpd1-hor2甘油产量的1.41倍,葡萄糖转化率为50.39%。     

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...     

紫色红曲霉Mp-24高产Monacolin K发酵工艺响应面优化

将单因素实验结果与响应面法相结合,对高产Monacolin K的紫色红曲霉Mp-24菌株进行发酵工艺条件优化。通过摇瓶发酵对碳源、氮源、碳源含量、氮源含量、培养时间等进行单因素优化,确定Mp-24菌株摇瓶发酵适宜条件：乳糖为碳源、酵母膏为氮源、碳源含量7%、氮源含量2%、培养时间12 d,Monacolin K产量为167 mg/L。应用Box-Behnken中心组合试验设计建立数学模型,进行响应面分析优化发酵条件,结果显示最佳发酵工艺条件为：碳源(乳糖)8%,氮源(酵母膏)3%,培养时间11 d,在此条件下Monacolin K的含量达到247.8 mg/L,比优化前提高1.5倍。     

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。