扭脱甲基杆菌AM1生物加工过程研究进展

甲醇作为重要的一碳化工原料,可由甲烷、合成气和CO_2等转化制得。扭脱甲基杆菌AM1是以甲醇作为唯一碳源和能源来进行生物发酵的微生物。由于原料来源广泛,发酵过程染菌的风险低,且能够利用合成培养基降低生产成本,同时产物后处理简单,扭脱甲基杆菌AM1被广泛利用在生物化工领域。目前,扭脱甲基杆菌AM1以甲醇作为碳源,已经成功实现了工业化生产单细胞蛋白。随着分子生物学技术的发展,扭脱甲基杆菌AM1以甲醇为底物有望合成更多高附加值的产品。本文中,笔者对扭脱甲基杆菌AM1生物加工过程进行综述,希望对甲醇基生物工业有所启发。     

毕赤酵母的非甲醇诱导系统研究进展

毕赤酵母是一种能以甲醇为唯一碳源生长的甲基营养型酵母,常用作表达外源蛋白的细胞工厂。目前毕赤酵母常用的高效启动子AOX1(PAOX1)是一个严格的底物依赖型启动子,受甲醇的严格诱导,受葡萄糖、甘油、乙醇等非甲醇碳源抑制。但是甲醇有毒、易燃、易爆的特性使得其在食用、医用产品生产等领域受到很大的限制。本文将主要从PAOX1机制改造、新型启动子和非甲醇诱导物研发的角度阐述毕赤酵母非甲醇诱导的研究进展。     

甲醇细菌的研究——1.强同化甲醇细菌的分离与筛选

甲醇细菌是能以甲醇作为唯一碳源与能源的细菌,自本世纪六十年代以来,随着世界性蛋白质资源的缺乏,世界上有不少人致力于用甲醇细菌生产单细胞蛋白并获得了高产菌株。我们从1979年开始研究甲醇细菌,现报道如下。     

利用定向进化提高基因工程大肠杆菌的甲醇利用能力

甲醇是一种重要的有机化工原料,价格低廉,碳还原度高,在生物化工中是糖质原料的理想替代原料。但是常用的工业微生物宿主如大肠杆菌不能利用甲醇作为碳源,这限制了甲醇在生物化工领域的应用。通过表达甲醇脱氢酶、3-己酮糖-6-磷酸合成酶和6-磷酸-3-己酮糖异构酶在大肠杆菌中构建可同化甲醇的核酮糖单磷酸途径。以基因工程菌作为出发菌株,通过连续传代和定向进化引入随机突变,突变株进行以甲醇为碳源的压力筛选,得到了2株可以利用甲醇生长的突变株。在以甲醇为辅助碳源的培养基中,25113Δfrm A/p ZWM1-13号突变株较原始菌株25113Δfrm A/p ZWM1菌体生长量增加27.6%。对25113Δfrm A/p ZWM1-13号突变株进行~(13)C示踪分析检测蛋白质合成氨基酸,结果表明氨基酸中~(13)C比例有明显提高。其中,甲硫氨酸~(13)C标记含量增加7.236%。因此,定向进化有效地提高了基因工程大肠杆菌的甲醇利用效率。     

采用混合策略提高葡萄糖氧化酶在毕赤酵母中的表达水平

为了提高葡萄糖氧化酶 (GOD) 在毕赤酵母中的表达水平,提出了甲醇/山梨醇混合碳源诱导和共表达分子伴侣二硫键异构酶 (PDI) 和透明颤菌血红蛋白 (VHb) 两种策略。利用对照菌株X33/pPIC9k–GOD 在5 L发酵罐放大培养时,采用甲醇/山梨醇混合碳源诱导,GOD最终酶活为456 U/mL,比只采用甲醇作为单一碳源诱导时GOD最终酶活提高了20%。利用整合伴侣蛋白菌株X33/pPIC9k-GOD/pPICZ-PDI-VHb在5 L发酵罐进行高密度发酵,采用甲醇/山梨醇混合碳源诱导,GOD最终酶活达到716 U/mL,蛋白浓度为7.4 g/L。研究结果对提高外源蛋白在毕赤酵母中的表达有重要参考价值。     

甲醇的生物利用与转化*

甲醇作为一种来源广泛、价格低廉、还原度高的非粮原料有望成为下一代生物制造的关键原料。利用合成生物学技术构建能够高效利用甲醇的重组微生物以实现从甲醇到高值化学品的生物转化已成国内外研究热点,但由于甲醇代谢过程的特殊性及复杂性,目前人工设计的甲基营养菌还难以实现以甲醇为唯一碳源进行生长及产物合成。基于对天然甲基营养菌甲醇代谢过程的分析,从甲醇脱氢酶的筛选与改造、甲醛同化途径的重构与优化、甲醇到化学品的生物转化几个方面对合成型甲基营养菌的构建策略及面临的挑战进行总结与分析,以期为今后合成型甲基营养菌的人工设计和利用提供一定的借鉴。     

甲醇的生物利用与转化*

甲醇作为一种来源广泛、价格低廉、还原度高的非粮原料有望成为下一代生物制造的关键原料。利用合成生物学技术构建能够高效利用甲醇的重组微生物以实现从甲醇到高值化学品的生物转化已成国内外研究热点,但由于甲醇代谢过程的特殊性及复杂性,目前人工设计的甲基营养菌还难以实现以甲醇为唯一碳源进行生长及产物合成。基于对天然甲基营养菌甲醇代谢过程的分析,从甲醇脱氢酶的筛选与改造、甲醛同化途径的重构与优化、甲醇到化学品的生物转化几个方面对合成型甲基营养菌的构建策略及面临的挑战进行总结与分析,以期为今后合成型甲基营养菌的人工设计和利用提供一定的借鉴。     

Pichia pastoris X-33 ΔGT2缓解甘油对AOX1的阻遏并用于外源蛋白的高效表达

巴斯德毕赤酵母是甲醇酵母,作为应用最广泛的真核表达系统之一,在以甲醇为唯一碳源时可以利用醇氧化酶启动子PAOX1进行外源蛋白的表达,但是这一过程会被甘油阻遏。近几年有研究表明,甘油转运体不仅有运输甘油的功能,还与甘油、甲醇的代谢有一定的联系。目的:构建了甘油转运体GT2(PAS_chr3_1076)缺失菌株P.pastoris X-33ΔGT2,研究该菌株的甘油去阻遏效应和在不同碳源培养基中诱导PAOX1启动子驱动外源蛋白的表达水平。方法:构建以甲醇诱导型启动子PAOX1调控外源基因EGFP的表达载体PAOX1-EGFP,经酶线性化后电转野生型菌株P.pastoris X-33获得重组菌株x-EGFP;通过同源重组的方法敲除GT2基因,获得ΔGT2-EGFP敲除菌株;以ΔGT2-EGFP和X-EGFP为出发菌株,在甘油、甲醇,以及甘油甲醇混合为碳源诱导醇氧化酶AOX1及绿色荧光蛋白EGFP的表达和生长情况,并检测在以甘油为唯一碳源时,胞外的甘油含量。结果:在以甘油甲醇混合碳源培养时,突变体ΔGT2-EGFP菌株中AOX1单位酶活比野生型菌株高出近35%,单位荧光强度要高出近70%;在以甘油为唯一碳源时,X-EGFP最终收获时的生物量比ΔGT2-EGFP多,且发酵液中甘油含量相对较少;以混合碳源培养时ΔGT2总外源蛋白表达水平最高。结论:实验表明,GT2参与甘油的吸收与代谢,ΔGT2突变株可在一定程度上解除甘油对甲醇的代谢抑制,暗示甘油转运体与PAOX1相关,且基于此研究结果有望优化出更高效的酵母表达系统。     

一株高效处理甲醇废水细菌的研究

采用富集培养法从土壤中分离出 1株净化甲醇能力较强的菌株 ,经鉴定为假单胞菌属 (Pseudomonas.sp)编号为 186。该菌株能以甲醇作为唯一碳源和能源 ,在培养 38h的条件下 ,可以使废水中的甲醇净化 90 %以上。同时对该菌的形态、生理特征进行了研究。     

碳源种类和浓度对愈伤组织生长的影响

有关植物组织和细胞培养研究工作的进展及其应用,已有全面而系统的评述。在组织和细胞的培养中,碳源是培养基的必要成分之一。碳源一般分为三类:碳水化合物、醇和有机酸。由于醇和有机酸作为碳源不能有效地被植物组织利用,有关工作不多。这里仅介绍碳水化合物作为碳源的研究,以供选择碳源时参考。     

浓香型酒窖中生丝微菌的分离与特性

从浓香型大曲酒发酵糟中,首次分离到一株能利用甲醇为唯一碳源和能源的生丝微菌Hy-phomicrobium sp M7。该菌具有独特的形态学特征:细胞顶端常生长一根菌丝结构。通过菌丝出芽而繁殖。细胞呈卵圆形,单独存在。菌落淡褐色。该菌对甲醇有较大的亲和力。在甲醇存在时,能以NO_3~-为电子受体进行厌氧生长。能利用甲醇、甲胺类化合物、乙醇、乙酸盐作为碳源生长,不利用c_2以上的有机物。在乙醇为碳源的培养基上,菌丝顶端常长出一种喇叭口结构。最适氮源为NH_4~+,酒糟浸液、酵母膏对生长有促进作用。该菌不同于文献报道的已知种。讨论了该菌在酒窖中存在的生态意义。     

施用甲醇刺激矮牵牛的生长效应与其代谢关系初探

大量研究表明施用甲醇能够促进多种植物的生长,在甲醇刺激植物生长的机理中,支持碳源假说的证据最多。该研究通过考察矮牵牛甲醇代谢与甲醇刺激其生长的相关性,对碳源假说进行验证。结果表明:(1)在MS固体培养基上添加2和6mmol/L CH3OH均可促进矮牵牛的生长和叶绿素含量增加,但2mmol/L CH3OH(低浓度)效果好于6mmol/L(高浓度),而且添加6mmol/L CH3OH会诱发较强的氧化胁迫。(2)进一步用13 C-NMR分析矮牵牛对不同浓度13 CH3OH的代谢作用发现,6mmol/L 13 CH3OH处理矮牵牛中[U-13 C]Fruc和[U-13 C]Gluc的生成量显著大于2mmol/L 13 CH3OH处理,即来自甲醇的碳源在代谢过程中虽被卡尔文循环同化为糖类物质,但这部分碳源对甲醇刺激矮牵牛的生长贡献不大。这些证据表明CH3OH代谢与其刺激矮牵牛生长的效果没有关联性,该实验结果不支持碳源假说。     

浓香型酒窖中生丝微菌的分离与特性*

从浓香型大曲酒发酵糟中,首次分离到一株能利用甲醇为唯一碳源和能源的生丝微菌Hy-phomicrobium sp M7。该菌具有独特的形态学特征:细胞顶端常生长一根菌丝结构。通过菌丝出芽而繁殖。细胞呈卵圆形,单独存在。菌落淡褐色。该菌对甲醇有较大的亲和力。在甲醇存在时,能以NO3-为电子受体进行厌氧生长。能利用甲醇、甲胺类化合物、乙醇、乙酸盐作为碳源生长,不利用C₂以上的有机物。在乙醇为碳源的培养基上,菌丝顶端常长出一种喇叭口结构。最适氮源为NH相似文献   

嗜甲醇酵母的培养研究

我国蕴藏亩丰富的油、气和煤炭资源,皆可用于制造甲醇。而利用能以甲醇为唯一碳源的微生物来生产单细胞蛋白,是开发新的蛋白质资源的一条重要途径。目前,英国等已用细菌生产甲醇蛋白(Mcthaanol-SCP).1969年,日本学者Ogata,发现酵母也能同化甲醇。由于酵母个体比细菌大,易于回收,核酸含量也比细     

食品上的应用

就一种利用甲醇作为唯一碳源的产气肠杆菌(Enterobacter aerogenes)生物量生产的最佳化及降低其核酸含量等问题进行了研究。结果表明在0.5%的甲醇条件下获得最高的产率与转化率。添加海水以用作微量元素源的效果不好,而添加尿素做为氮源却可以促进产气肠杆菌的生长。     

利用不同碳源进行毕赤酵母高密度发酵及TEF-1启动子指导下的HPV16_L1蛋白表达

目的:研究不同碳源对于毕赤酵母菌株在发酵罐中高密度生长,以及对组成型翻译延伸因子-1(TEF-1)启动子指导下HPV16_L1蛋白表达的影响。方法:利用1.5L发酵罐使用不同碳源进行毕赤酵母的高密度发酵,检测在不同碳源利用情况下菌体的增殖动力学,并以Western blot动态分析HPV16_L1蛋白的表达水平。结果:以甘油作为碳源,菌体细胞湿重可达到510g/L(OD600为189.4),HPV16_L1的表达在72h之前保持高水平;在甲醇和葡萄糖中菌体细胞湿重都可达到220g/L左右(OD600分别为75.3和77.3),甲醇利用下HPV L1蛋白在144h后仍保持较高水平表达,葡萄糖中60h HPV L1表达开始显著下降;在山梨醇作为碳源情况下菌体未能在发酵罐中获得高密度生长;总体上,甘油作为碳源在72h左右可获得最高的目的蛋白收获总量。结论:为实现毕赤酵母高密度生长与异源基因在TEF-1启动子指导下高效表达,以及HPV L1蛋白的简易、有效制备提供了基础。     

甲基营养菌代谢网络途径和代谢工程改造的研究进展

一碳化合物(甲醇或甲烷)高值化转化是当前生物工程领域的重要研究热点。甲基营养菌是一类以甲醇为碳源和能源生长的革兰氏阴性菌,随着基因组测序的开展和各类组学技术的发展,以扭脱甲基杆菌为代表的甲基营养菌的中心代谢网络途径和相关功能基因逐渐明晰。近年来,甲基营养菌中包括基因过表达、基因敲除整合等遗传操作工具的完善以及各种基因调控元件的开发,为甲基营养菌的底盘改造和异源途径优化表达提供了重要基础,国内外的研究推动了甲醇转化成多种高附加值产品。此外,人们渴望利用传统基因工程菌作为底盘构建合成型甲基菌,以期更高效实现甲醇催化转化。本文中,笔者综述了目前甲基营养菌,尤其是扭脱甲基杆菌的代谢网络特点、代谢工程改造策略与应用以及构建合成型甲基细菌这3个方面的研究进展,以期为甲基微生物催化转化的研究提供借鉴。     

丙烯酶催化氧化产生环氧丙烷的研究 I.甲烷氧化菌的筛选及其特性

从甘肃玉门油田土样、油样和水样中分别筛选到具有低碳烃催化氧化活性的菌种。以甲醇为碳源培养的菌体没有丙烯酶催化氧化为环氧丙烷的活力。只有以甲烷作为唯一碳源、能源培养发酵的菌体才有高专一性的酶催化氧化活性,并对筛选到的一株具有较高活性的菌株从形态、营养和生长特征等方面进行了研究,经初步鉴定表明为甲烷氧化菌甲基单胞菌属(Methylomonas sp,)。     

新型重组毕赤酵母产人胰岛素前体的表达工艺研究

以毕赤酵母为异源表达宿主合成人胰岛素前体,在实验室研究和工业生产中已有广泛应用。目前研究主要使用天然甲醇诱导型AOX1启动子,以甲醇为单一基础碳源进行胰岛素前体的诱导发酵生产。但在毕赤酵母高密度发酵生产过程中,甲醇代谢过程耗氧大、产热高,补料控制工艺复杂,限制了发酵生产的放大。基于前期对启动子AOX1的转录调控设计研究,提出以人工设计的高效组成型转录调控器件CSAD_5驱动胰岛素前体基因表达,开发了以葡萄糖为碳源的发酵生产工艺,以解决甲醇体系中的产热、耗氧及工艺控制问题。在此基础上,通过增强筛选压力提高异源基因拷贝,获得了一株胰岛素前体高表达重组毕赤酵母,利用优化的培养工艺在5L反应器水平发酵生产,胰岛素前体产量在108h达到1. 85g/L,为目前报道以葡萄糖为碳源,生产人胰岛素前体的最高水平,为胰岛素前体的工业生产及毕赤酵母的应用提供了新的思路和方法。     

发酵法开发甲醇蛋白的研究

通过大量实验从土壤中分离筛选出1株同化甲醇能力较强的菌株15357,该菌能以甲醇作为碳源进行单细胞蛋白的发酵.甲醇蛋白得率为41.5%,粗蛋白含量为80.9%,各类氨基酸齐全,8种主要氨基酸含量丰富.毒性试验证明是一种安全的饲料添加剂,喂养蛋鸡应用试验表明,可代替鱼粉,产蛋率有明显提高.