克雷伯杆菌产1,3-丙二醇关键酶甘油脱水酶的酶活分析方法研究

有氧条件下,建立了克雷伯杆菌破碎方法及其生产1,3-丙二醇代谢途径中关键酶甘油脱水酶的酶活测定方法。甘油脱水酶酶活测定时在超声时间25min,功率为300w的条件下最适破碎频率为破碎时间1s,停息时间4s;甘油脱水酶酶活测定所用磷酸盐缓冲液的最适浓度为0.045mol/L,最适pH值7.2。甘油脱水酶酶活测定反应的最佳温度为37℃,甘油脱水酶酶活测定反应液的最佳吸收波长为290nm。     

产1,3-丙二醇菌株的诱变和筛选

为提高克雷伯氏肺炎杆菌产1,3-丙二醇的能力,以离子束、紫外线和氯化锂为复合诱变法,建立了产酸圈和产物耐受相结合的平板筛选方法,获得可耐受高浓度1,3-丙二醇并且副产物中乙醇含量较少的优良突变菌株2株。与出发菌株相比,两株高产突变菌株Klebsiella pneumoniae LM 03和Klebsiella pneumoniae LM05的1,3-丙二醇产量分别提高了33% 和30% ,达到66.74 g/L和65.12 g/L;乙醇产量分别降低了38% 和24% ,降低为6.59 g/L和8.05 g/L。同时测定了诱变前后还原途径中甘油脱水酶（GDHt）和1,3-丙二醇氧化还原酶（PDOR）的酶活变化,研究表明诱变对GDHt有明显的促进作用,而对PDOR的影响不明显。该诱变和筛选方法目标明确、易操作、效率高,在1,3-PD工业规模的生物法生产中将具有良好的应用价值,而且对于其他具有工业应用价值的菌株筛选工作也具有一定的借鉴意义。     

产1,3-丙二醇新型重组大肠杆菌的构建

利用PCR技术从大肠杆菌(Escherichia coli )中扩增出1.16 kb的编码1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶的基因yqhD,将其连接到表达载体pEtac,得到重组载体pEtac-yqhD,重组载体在大肠杆菌JM109中得到高效表达。SDS_PAGE分析显示融合表达产物的分子量均为43 kD,同核酸序列测定所推导的值相符。对含有yqh-D的基因工程菌进行表达研究表明：37 ℃,以1.0 mmol /L IPTG诱导4 h,1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶的酶活力达到120 u/mg蛋白,而对照菌株的酶活力为0.5 u/mg蛋白。再将含甘油脱水酶基因dhaB和含1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶基因yqhD的重组质粒共转化大肠杆菌JM109得到重组大肠杆菌JM109（pUCtac-dhaB, pEtac-yqhD）,该菌株在好氧条件下,以1.0mmol/L IPTG诱导可将50 g/L甘油转化为38.0 g/L 1,3-丙二醇。首次发现1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶在好氧条件下表现出较高的活性。     

微生物法生产1,3-丙二醇的基因工程研究进展

基因工程研究在生物法生产化工产品的过程中扮演着越来越重要的角色,对生物法生产1,3-丙二醇研究中利用基因工程手段对于菌体以及代谢途径进行改造的研究进行了考察,综述了其最新应用情况及其进展,并展望了未来的发展趋势。     

dhaBCE基因与yqhD基因串联表达载体的构建及其生物转化甘油

将来自于肺炎克雷伯氏杆菌的甘油脱水酶基因插入到质粒pET28(a+) -yqhD的上游,并用SD序列隔开,串联构建重组质粒pET28(a+)dhaBCE-yqhD,转化到大肠杆菌E.coli novablue中进行共表达。结果显示：含有pET28(a+) dhaBCE-yqhD的重组菌在28℃条件下,IPTG诱导16h后,甘油脱水酶和yqhD氧化还原酶的酶活力分别达到35 U/ mg和 82 U/ mg ,而对照组检测不到甘油脱水酶酶活;当甘油浓度为55g/L,产物1,3-PD的产量可达39g/L;甘油浓度过量不利于产物合成,且产物1,3-丙二醇对合成反应具有一定的抑制作用。     

含甘油脱水酶激活因子编码基因的产1,3-丙二醇新型重组菌的构建

利用PCR技术扩增来源于弗氏柠檬杆菌(Citrobacter freundii)的甘油脱水酶编码基因dhaB以及甘油脱水酶激活因子编码基因dhaGdhaF,将其与1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶的编码基因yqhD串联在温控表达载体pHsh上,构建重组菌E.coliJM109(pHsh-dhaB-dhaG-dhaF-yqhD)。SDS-PAGE分析显示,融合表达产物的分子量同核酸序列测定的推导值相符。与未串联甘油脱水酶激活因子编码基因的重组菌E.coliJM109(pHsh-dhaB-yqhD)相比,1,3-丙二醇的产量提高了28%。     

克雷伯杆菌甘油脱氢酶和1,3-丙二醇氧化还原酶的动力学机制

本研究主要对克雷伯杆菌甘油转化1,3-丙二醇代谢途径中的2个关键酶甘油脱氢酶(GDH)、1,3-丙二醇氧化还原酶(PDOR)反应机制和动力学进行了研究。首先,通过初速度和产物抑制动力学研究确定了GDH、PDOR双底物酶促反应机制为有序BiBi机制,明确了由反应物消耗到产物生成之间的历程。其次,建立了GDH、PDOR双底物酶促反应动力学模型,由动力学模型可知,在偶合反应中,如果GDH和PDOR酶量相同,GDH氧化反应成为限速反应,而辅酶I将主要以氧化型NAD+形式存在。动力学信息为酶法合成1,3-丙二醇和代谢工程研究提供理论指导。     

甘油歧化为1,3-丙二醇的代谢及关键酶研究进展

微生物发酵生产1,3-丙二醇因对环境友好而成为研究热点。通过对发酵菌种、代谢途径、调节子和关键酶的分析,阐述了微生物转化甘油为1,3-丙二醇的分子机理。尤其对还原途径的限速酶-甘油脱水酶的分子结构及再激活因子进行了详细分析,为菌种的遗传改造提供了理论依据。     

克雷伯肺炎杆菌1,3-丙二醇氧化还原酶基因克隆及表达条件研究

1,3-丙二醇氧化还原酶是甘油歧化为1,3-丙二醇的一种关键酶。本研究从克雷伯肺炎杆菌(Klebsiella pneumoniae)基因组中,用PCR方法克隆了其编码基因dhaT。TA克隆测序正确后,构建胞内表达载体pET-28a-dhaT和分泌表达载体pET-22b-dhaT,然后转化E.coliBL21(DE3)进行原核表达。表达部位确定、SDS-PAGE和酶活分析表明,该酶得到了高水平表达。其中使用pET-22b表达的目的蛋白大都是不溶的包涵体;而使用pET-28a表达的目的蛋白胞内可溶,占胞内可溶总蛋白的45%,占菌体总蛋白的25%。常规(30℃)诱导表达即呈现1,3-丙二醇氧化还原酶活性,但低温(20℃)14 h诱导显示3.7倍的酶活性。     

1,3-丙二醇生产的研究进展

作为一种重要的化工材料,1,3-丙二醇凭借其自身的优点,在工业生产中具有很高的应用价值。但其传统的生产方法,操作繁琐、技术难度大、设备投资高,已无法满足对1,3-丙二醇的日益增长的需要;而微生物发酵法又面临着产率低、发酵条件难以控制等弊病。相反,基因工程技术在1,3-丙二醇生产过程中扮演着越来越重要的角色。简要综述了1,3-丙二醇研究及生产工艺的进展。     

克雷伯氏肺炎杆菌LDH526产1,3-丙二醇的甘油自动流加策略

1,3-丙二醇是一种重要的化工原料,主要作为平台化合物用于合成聚酯,如聚对苯二甲酸丙二醇酯。经基因工程改造的克雷伯氏肺炎杆菌LDH526能以甘油作为唯一碳源合成1,3-丙二醇,最终发酵浓度超过90 g/L。甘油浓度是影响1,3-丙二醇合成的关键因素。为了实现对甘油浓度的精确控制,设计并优化了基于发酵动力学的甘油自动流加策略。通过将底物流加速率与易观察变量p H和发酵时间偶联,实现了发酵过程中甘油流加的自启动和甘油浓度的动态控制。发酵72 h,1,3-丙二醇的浓度可稳定超过95 g/L。自动控制甘油流加的发酵过程具有可重复性、连续性以及人工工作量少的特点,有望从实验室规模扩大到生产规模。     

一株产1，3-丙二醇的克雷伯氏菌的噬菌体生物学特性

[目的]克雷伯氏菌发酵生产1,3-丙二醇过程中发生噬菌体感染会严重影响宿主菌的生长和目标产物的生成,因此分离克雷伯氏菌噬菌体并考察其生物学特性对预防和控制噬菌体感染具有重要意义.[方法]采用敏感指示菌法及Adams双层平板法从感染噬菌体的肺炎克雷伯氏杆菌发酵液中分离得到一株噬菌体;纯化后用磷钨酸负染法电镜观察;手工法提取噬菌体核酸,酶切后琼脂糖凝胶电泳分析;同时考察了其最佳感染复数、一步生长曲线及对温度、pH、紫外线、乙醚和氯仿等理化因素的敏感性等生理特性;最后考察了噬菌体对肺炎克雷伯氏杆菌生长和发酵的影响.[结果]分离出一株肺炎克雷伯氏杆菌溶源性噬菌体,其噬菌斑为无晕环透明圆斑,直径约1.5 mm;其头部为直径约60 nm-70 nm的球体,有一长约160 nm的丝状长尾;基因组核酸能被双链DNA内切酶EcoR Ⅰ及HindⅢ切开,大小约42 kb;对高温和紫外线敏感,耐碱性而受强酸抑制,对氯仿不敏感;最佳感染复数为1,潜伏期与裂解期均为50 min,裂解量为343个;感染噬菌体的肺炎克雷伯氏杆菌的细胞生长延滞约8h,代谢流偏向乳酸途径.[结论]该噬菌体属于无包膜长尾噬菌体,能改变克雷伯氏菌发酵生产1,3-丙二醇的代谢规律,为1,3-丙二醇发酵生产过程中噬菌体感染的预防和控制研究奠定了基础.     

1,3-丙二醇产生茵基因组重排育种

[目的]本文以肺炎克雷伯氏杆菌为研究对象,利用基因组重排技术,提高其对发酵体系中主要产物的耐受性,获得1,3-丙二醇高产菌.[方法]以含预处理后的出发菌株的补料发酵终点液的96孔板为筛选方法,利用基因组重排技术育种.[结果]筛选到的5株高产菌株(LSG1,LSG2,LSG4,LSG5,LSG6),在3升罐批次发酵中的1...     

原生质体紫外诱变技术选育1,3-丙二醇高产菌株

以肺炎克雷伯氏杆菌(Klebsiella pneumoniae)为研究对象,应用原生质体紫外诱变技术提高其对甘油及1,3-丙二醇的耐受性,获得1,3-丙二醇高产菌.在原生质体制备过程中,运用滤膜去除酶解后细胞悬液中的正常菌体,简化菌体酶解过程,提高再生率及形成率.经过原生质体诱变后,以耐受高浓度甘油和1,3-丙二醇及高产酸能力为筛选方向,最终筛选到了3株高产菌株(Kp-1、Kp-4和Kp-5).在补料发酵实验中,上述诱变菌产1,3-丙二醇能力分别为70.24 、65.21和75.51 g/L,比野生菌株WT(55.78 g/L)分别提高了25.92%、16.91%和35.37%.     

1,3-Propanediol oxidoreductase production with Klebsiella pneumoniae DSM2026

We report a Klebsiella pneumoniae DSM2026 fermentation procedure for the efficient production of a key enzyme of 1,3-propanediol formation: 1,3-propanediol oxidoreductase (E.C. 1.1.1.202). The fermentation process is composed of an aerobic batch phase on glucose and glycerol and an anaerobic phase on glycerol. The role of the aerobic phase is to produce sufficiently high cell mass (12.9–14.6 g/l dry weight) and to activate the aerobic branch of the Klebsiella glycerol pathway, whereas in the anaerobic phase there is a rapid initiation of 1,3-propanediol oxidoreductase formation. A fast change from an aerobic to an anaerobic environment led to a redox imbalance, which resulted in the abrupt activation of the anaerobic branch of glycerol utilization, with the occurrence of a high 1,3-propanediol-oxidoreductase activity. A mathematical model with substrate inhibition showed that the adequate glycerol concentration for enzyme production was 14–16 g/l. The combination of the optimal substrate concentration together with the subsequent use of glucose and glycerol resulted in 90.6 ± 11.6 U enzyme activity referred to 1 l of fermentation broth and 10.3 ± 0.9 U/(1 h) productivity.     

异源表达木糖异构酶基因对克雷伯氏菌合成1,3-丙二醇的影响

【目的】提高克雷伯氏菌胞内还原力以强化1,3-丙二醇合成。【方法】将来源于大肠杆菌的木糖异构酶基因在克雷伯氏菌中异源表达,构建重组菌。研究重组菌添加不同浓度木糖为辅底物与甘油共发酵过程中代谢产物和NADH的变化规律。【结果】与对照菌相比,重组菌细胞内还原力NADH提高了0.1?0.3倍,1,3-丙二醇产量达到23.31 g/L,提高20%,1,3-丙二醇转化率从0.60 mol/mol提高到0.73 mol/mol。【结论】木糖异构酶基因的表达强化了木糖代谢途径,经磷酸戊糖途径积累大量还原力,促进了1,3-丙二醇的生成。