重组嗜水气单胞菌Aeromonas hydrophila 4AK4中3-羟基丁酸3-羟基己酸共聚酯PHBHHx的发酵生产

3-羟基丁酸和3-羟基己酸共聚酯(PHBHHx)是一种性能优良的新型生物可降解材料,其机械和加工性能与3-羟基己酸(3HHx)在共聚物中的含量密切相关。在嗜水气单孢菌Aeromonas hydrophila 4AK4中引入了编码β-酮基硫解酶(β-ketothiolase)的phbA基因和编码乙酰乙酰辅酶A还原酶(Acetoacetyl-CoA reductase)的phbB基因,使重组菌增加了一条利用乙酰辅酶A合成3-羟基丁酸-CoA的代谢途径,这使得利用非相关性碳源调控PHBHHx的单体组成比例成为可能。利用葡萄糖酸钠和月桂酸作为碳源,对重组Aeromonas hydrophila 4AK4进行了摇瓶培养及5L发酵罐培养的研究。在摇瓶实验中,通过改变碳源中两种组分的比例,可以使A,hydrophila 4AK4合成的PHBHHx中的3HHx摩尔含量由原来的15％左右降低到3％～12％,成功地实现了对PHBHHx单体组成的调控;当以月桂酸为唯一碳源时,在5L发酵罐中,经过56h的培养,获得了51．5g／L的细胞干重(CDW),其中62％为PHBHHx,3HHx在PHBHHx中的摩尔含量为9．7％;当以1：1的葡萄糖酸钠和月桂酸为碳源时,48h的5L发酵罐培养获得了32．8g／L的CDW和52％的PHBHHx含量,其中3HHx在PHBHHx中的摩尔含量为6．7％。结果证明了该重组菌在大规模生产单体组成可控PHBHHx方面具有很大的应用潜力。     

嗜水气单胞菌合成含3-羟基戊酸单体的聚羟基脂肪酸共聚酯的研究

分别利用葡萄糖或葡萄糖酸钠与十一碳酸、月桂酸与十一碳酸为混合碳源进行嗜水气单孢菌 (Aeromonashydrophila)菌株 4AK4的摇瓶培养 ,实现了含有 3 羟基戊酸 (3HV)单体的聚羟基脂肪酸酯的微生物合成。当使用葡萄糖或葡萄糖酸钠与十一碳酸为混合碳源时 ,野生型A .hydrophila 4AK4及含有 3 羟基丁酸辅酶A合成基因phaA和phaB的重组A .hydrophila 4AK4 (pTG01)能够合成-3-羟基丁酸(3HB)与-3HV的共聚物 ,且葡萄糖或葡萄糖酸钠与十一碳酸比例为 1∶1时最利于细胞生长和PHA的积累。当使用月桂酸和十一碳酸为混合碳源时 ,A .hydrophila4AK4能够合成-3HB、3HV与 β-羟基己酸 (3HHx)的共聚物 ,且随着混合碳源中十一碳酸的含量增加 ,A .hydrophila4AK4合成的PHA中-3HV的比例增加 ,而-3HB和-3HHx的比例降低.     

代谢工程技术调控3-羟基丁酸与3-羟基己酸共聚酯PHBHHx的微生物合成

3-羟基丁酸和3-羟基己酸共聚酯(PHBHHx)是一种新型生物可降解材料,其性能与3-羟基己酸(3HHx)在共聚物中的摩尔百分含量密切相关。本研究在两株嗜水性气单孢菌Aeromonas hydrophila WQ和Aeromonas hydrophila 4AK4中分别引入了编码酯酰辅酶A脱氢酶的yafH基因和编码合成3-羟基丁酸-CoA的phbA和phbB基因,将A.hydrophila WQ合成的PHBHHx中的3HHx的摩尔含量由3％—5％提高到20％以上;而A.hydrophila 4AK4合成的PHBHHx中的3HHx摩尔含量则由15％左右降低到3％-12％。成功地实现了对PHBHHx单体组成的调控。     

丁醇对发酵生产3-羟基丁酸与3-羟基己酸共聚酯(PHBHHx)单体组成的影响

3羟基丁酸与3羟基己酸共聚酯(PHBHHx)是由微生物合成的完全可降解高分子材料,其材料性能与3羟基己酸(3HHx)在共聚物中的含量有关。嗜水性气单孢菌A.hydrophila4AK4合成的PHBHHx中,3HHx含量通常都在12～15mol%之间。通过在培养基中添加正丁醇,降低了PHBHHx中3HHx的含量。在摇瓶培养中获得了含3HHx为58mol%的PHBHHx;在6L发酵罐中54h的发酵培养,获得40gL的细胞干重(CDW),并将3HHx的含量在发酵过程中有效地降低到5～10mol%。     

嗜水气单胞菌WQ中PHBHHx的合成及其分子基础研究

聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoate,PHA)是一系列生物合成的高分子材料,其单体可由多种3-羟基脂肪酸(3-hydroxyalkanoate,3HA)构成^[1]。PHA物理和机械性能的变化很大,从高脆性到弹性体,这跟它们的单体成分有很大关系^[2]。短链和中长链单体共聚的PHA比短链单体或中长链单体聚合得到的PHA有着更好的性能^[3]。在1994年,豚鼠气单胞菌(Aeromonas caviae)FA440被发现能以偶数碳原子数脂肪酸或植物油作为碳源在体内积累PHBHHx^[4]其PHA生物合成基因被成功克隆^[5]。根据亚基数目和底物特异性,PHA合成的关键酶,即PHA合酶或PhaC,被分成了3种类型。A．caviae的PHA合酶属于第1类PHA合酶^[6]。PHA合酶的一些类型含有一些保守的基因序列,该特征可被用于克隆,特别是第Ⅱ类PHA合酶^[2,8]。嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)WQ和A．hydrophila 4AK4是能够合成PHBHHx的另外两种菌株,其中A．hydrophila 4AK4已被用作大规模生产PHBHHx。就目前来说,不管生长条件怎么改变,其合成的PHBHHx中3羟基己酸单体(3-hydroxyhexanoate,3HHx)的含量始终在12％～17％之间变化^[9]。而A．hydrophila WQ合成的PHBHHx中则含有6％～14％ 3HHx。本论文研究了A．hydrophila WQ的PHA生物合成及其分子基础。     

补料培养提高真养产碱杆菌产3-羟基丁酸和3-羟基戊酸共聚物生产强度的研究

对Alcaligeneseutrophus进行高密度培养 ,研究表明在发酵过程中进行有效控制 ,可以较大幅度地提高 3-羟基丁酸和 3 羟基戊酸共聚物 [P(3HB-co-3HV) ]的生产强度。实验中选择使用限氮的方法积累P(3HB-co-3HV) ,分别采用丙酸和戊酸为 3HV前体 ,对摇瓶种子生长状态 ,停氮时机对菌体生产P(3HB-co-3HV)的影响以及补酸 (3HV前体 )策略进行了研究 ,在 6.6L罐中 ,以葡萄糖为碳源 ,以丙酸为 3HV前体培养 5 0h ,细胞干重 ,PHA产量 ,PHA含量分别达到 149.9g L ,12.49g L ,83.3% (其中 3HV组分占PHA的 12 4mol% ) ,生产强度达到 2.50 (g·h^-1·L^-1) ;以戊酸为3HV前体培养 45h ,细胞干重 ,PHA产量 ,PHA含量分别达到 16.02g L、119 0g L、74.2 % (其中 3HV组分占PHA的17.7mol% ) ,生产强度达到 2.64(g·h^-1·L^-1)     

3-羟基丁酸与3-羟基己酸共聚酯在心血管组织工程中的应用

为了研究可降解聚合材料3-羟基丁酸与3-羟基己酸共聚酯 (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate, PHBHHx)的血管内生物相容性, 采用脱细胞羊肺动脉为支架, 以PHBHHx涂层, 构建复合补片(Hybrid patch), 植入New Zealand兔腹主动脉内(12只), 以脱细胞未涂层羊肺动脉片(Uncoated patch)做为对照(12只)。分别于术后第1、4和12周处死动物, 取出移植补片进行组织学、免疫荧光染色、扫描电镜和钙含量测定。结果表明: hybrid patch管腔面光滑无血栓, 内膜增生适度, 再细胞化完全; 免疫荧光染色检测, 新生内膜组织中类内皮细胞呈CD31阳性反应, 单层连续排列, 间质细胞呈现SMA阳性反应; 钙含量测定, hybrid patch明显低于uncoated patch(P<0.05)。由此认为: PHBHHx的血管内生物相容性满意, 是心血管组织工程较为理想的腔内涂层材料。     

3-羟基丁酸与3-羟基己酸共聚酯在心血管组织工程中的应用

为了研究可降解聚合材料3-羟基丁酸与3-羟基己酸共聚酯 (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate, PHBHHx)的血管内生物相容性, 采用脱细胞羊肺动脉为支架, 以PHBHHx涂层, 构建复合补片(Hybrid patch), 植入New Zealand兔腹主动脉内(12只), 以脱细胞未涂层羊肺动脉片(Uncoated patch)做为对照(12只)。分别于术后第1、4和12周处死动物, 取出移植补片进行组织学、免疫荧光染色、扫描电镜和钙含量测定。结果表明: hybrid patch管腔面光滑无血栓, 内膜增生适度, 再细胞化完全; 免疫荧光染色检测, 新生内膜组织中类内皮细胞呈CD31阳性反应, 单层连续排列, 间质细胞呈现SMA阳性反应; 钙含量测定, hybrid patch明显低于uncoated patch(P<0.05)。由此认为: PHBHHx的血管内生物相容性满意, 是心血管组织工程较为理想的腔内涂层材料。     

利用重组大肠杆菌产聚-4-羟基丁酸的研究*

重组大肠杆菌 E.coli XL-1 Blue（pKSSE5.3）携带Ralstonia　eutropha　H16的 PHA聚合酶基因（phaC）和Clostridium kluyveri的4-羟基丁酸:CoA转移酶基因（orfZ）,可以利用葡萄糖和4-羟基丁酸为碳源合成均聚的聚-4-羟基丁酸[P（4HB）]。优化培养基和培养条件后,进行了补料分批培养。结果表明,经68h左右培养,E.coli XL-1 Blue（pKSSE5.3）的发酵液中菌体干重     

重组大肠杆菌合成聚（3-巯基丙酸）和聚（3-羟基丁酸-3-巯基丙酸）的研究

利用Clostridium acetobutylicum的丁酸激酶基因 (buk) 和磷酸转丁酰基酶基因(ptb),以及Thiocapsa pfennigii的PHA合成酶基因,设计了一条能够合成多种聚羟基烷酸的代谢途径,用构建的质粒转化大肠杆菌,获得了重组大肠杆菌菌株。前期的研究表明,在合适的前体物条件下,该重组大肠杆菌能够合成包括聚羟基丁酸、聚（羟基丁酸戊酸）等多种生物聚酯［Liu and Steinbüchel, Appl. Environ. Microbiol. 66:739743］。利用该重组大肠杆菌,通过生物催化作用合成了3巯基丙酸的同型共聚酯,同时利用该重组大肠杆菌还获得了含3-巯基丙酸单体的多种异型共聚物。实验首先研究了3巯基丙酸对大肠杆菌生长的影响,在此基础上优化了培养过程中添加3-巯基丙酸的时机和浓度,结果表明,在实验的条件下,细胞合成聚（3-巯基丙酸）可达6.7%(占细胞干重),合成聚（3-羟基丁酸—3-巯基丙酸）（分子中3-巯基丙酸:3-羟基丁酸=3:1）可达24.3%。实验进一步研究了同时或分别表达以上3个基因的重组大肠杆菌合成聚合物的能力,结果表明只有当3个基因同时表达时才能合成聚合物,说明3个基因对合成过程是必须的,从而表明了合成途径是按照设计的路线进行的。还通过GC/MS、GPC、IR等手段对合成的化合物进行了定性的研究。聚（3-巯基丙酸）或聚（3-羟基丁酸-3-巯基丙酸）等聚酯属于一类新型生物聚合物,它在分子骨架中含有硫酯键,不同于聚羟基烷酸酯的氧酯键,从而具有显著不同的物理、化学、光学等性质和具有重要的潜在应用价值。     

恶臭假单胞菌NA_1菌株烟酸羟基化酶活性的诱导和转化条件的研究

恶臭假单胞菌NA_1菌株的培养和产酶特性与已报道的产酶菌株粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens) IFO 12648和荧光假单胞菌(Psudomonas fluorescens) TN5有所不同, 主要反映在最适碳源及浓度、最适诱导剂浓度和最适培养温度等方面。最适的转化条件是温度为30℃,pH为7.0, 烟酸的浓度为3％。采用初步优化后的条件和流加底物的方式进行4L上罐生产,恶臭假单胞菌NA_1菌株的6_羟基烟酸产率可达到108.39g/L。     

中长链聚羟基脂肪酸酯（mcl PHA）在嗜水气单胞菌I型PHA合酶缺失突变株中的合成

拥有Ⅰ型聚羟基脂肪酸酯（PHA）合酶基因的嗜水气单胞菌CGMCC 0911株可利用月桂酸而不能利用葡萄糖作为碳源积累PHBHHx。将氯霉素抗性基因（Cm）插入到该基因中,获得带有I型PHA合酶断裂基因（phaC::Cm）的自杀质粒pFH10。自杀质粒pFH10通过接合作用转入嗜水气单胞菌CGMCC 0911株中并发生体内同源重组,Cm被整合到基因组上,获得Ⅰ型PHA合酶缺失突变株。DNA序列测定证明了这一结果。GC分析表明,突变株不再产生PHBHHx,但却可利用月桂酸或葡萄糖积累中长链PHA,明显表明野生型嗜水气单胞菌基因组中存在另一个编码Ⅱ型PHA合酶的基因,且只有Ⅰ型PHA合酶被钝化后,这个功能被隐藏的Ⅱ型PHA合酶才可在细胞中发挥作用。     

高密度培养大肠杆菌YK537/pSBHL11生产重组人细胞白介素-3

在B.Braun ES-10型15L和NBS BioFlo 3000型5L发酵罐中,利用补料分批培养技术高密度表达培养含重组质粒pSBHL-11的大肠杆菌YK537,生产重组人白细胞介素-3(IL-3),发现在发酵过程中,限制性流加甘油,控制溶解氧在30%～40％左右、30℃生长11h,42℃诱导培养4h,能将发酵液中最终菌体密度从OD₁₆600提高到OD₅₃600(相当于每升发酵液含106克湿菌体),并且保持了白细胞介素-3的表达量,占菌体总蛋白的30%左右,含量超过3.3%g/L,使IL-3包涵体产量从湿重2.2g/L提高到8.5 g/L,纯化步骤比较简单,超声破菌后经两次洗涤纯度就达到70%以上。     

大肠杆菌高密度发酵表达4-羟基苯乙酸酯3-羟化酶及咖啡酸的高效生物合成

来源于大肠杆菌的4-羟基苯乙酸酯3-羟化酶(4-hydroxyphenylacetate 3-hydroxylase,4HPA3H)可以催化对香豆酸生物合成咖啡酸。为了实现4HPA3H的扩大生产和咖啡酸的高效生物合成,首先构建过表达4HPA3H的大肠杆菌工程菌,其次使用5 L发酵罐进行高密度发酵生产4HPA3H,再而优化采用工程菌株进行全细胞催化产咖啡酸的条件。最终实现了在5 L发酵罐中发酵,工程菌株生物量达到干重34.80 g/L。通过使用5 L发酵罐作为生物反应器进行全细胞催化,经过6 h的催化可产生18.74 g/L (0.85 g/(L·OD₆₀₀))咖啡酸,摩尔转化率为78.81%,是目前文献报道4HPA3H以对香豆酸为底物合成咖啡酸的最高水平。初步实现了高密度培养大肠杆菌表达4HPA3H并高效生物合成咖啡酸,为工业化生产奠定了基础。     

需钠弧菌(Vibrio natriegens)合成聚羟基丁酸的研究

研究结果表明,V. natriegens可以利用葡萄糖、果糖、以及糖蜜为碳源合成聚羟基丁酸［Poly(3HB)］;当以糖蜜为碳源时,积累的Poly(3HB)达到细胞干重的28.4%。实验结果还表明,Poly(3HB)的积累滞后于细胞生长,在培养前加入过量的碳源,不仅没有Poly（3HB）积累,还抑制细胞的生长。测定了与Poly(3HB)合成相关的PHA聚合酶、β酮硫解酶和乙酰乙酰CoA还原酶的活性。结果表明,伴随Poly(3HB)合成,PHA聚合酶活性从无到有,β酮硫解酶活性提高了10倍以上。进一步通过利用脂肪酸合成代谢抑制物——浅蓝菌素（cerulenin）,研究了脂肪酸从头合成途径与Poly(3HB)合成途径的关系,发现浅蓝菌素能够明显降低细胞Poly(3HB)的累积。根据以上结果,推测在V. natriegens中可能存在有两条代谢途径参与Poly(3HB)的合成。      

PHBHHx膜表面亲水改性及其与神经干细胞生物相容性

对羟基丁酸-羟基己酸共聚酯(PHBHHx)膜进行表面改性,研究神经干细胞(NSCs)在改性后的PHBHHx膜表面的贴附、增殖及分化情况,为开发新型脑组织工程支架材料奠定基础。采用溶剂挥发法制备PHBHHx膜,扫描电镜观察其表面性状;分别通过脂肪酶处理,NaOH处理的方法对PHBHHx膜进行表面改性,测量接触角以检测膜表面亲水性。分离培养孕14.5 d大鼠胚胎大脑皮质NSCs,接种在表面改性后的PHBHHx膜表面进行体外培养,扫描电镜观察膜表面细胞形态,MTT法检测细胞活力,免疫细胞化学染色观察NSCs存活和分化情况。结果显示,与未处理的PHBHHx膜相比,脂肪酶、NaOH处理能够显著提高PHBHHx膜表面亲水性,增加NSCs在PHBHHx膜表面贴附数量;NSCs在改性后的PHBHHx膜表面能够良好地存活并分化为神经元和胶质细胞。结果提示PHBHHx膜表面碱处理通过提高材料表面亲水性和粗糙程度,增加其与NSCs的生物相容性,改性后的PHBHHx材料是一种非常有潜力的新型脑组织工程支架材料,有望在NSCs移植修复脑损伤中发挥作用。     

amrG1基因在谷氨酸棒杆菌乙酸活化中的作用

谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum可以利用乙酸为碳源和能源进行生长. 乙酸代谢中涉及乙酸活化的两个酶为磷酸转乙酰酶PTA和乙酸激酶AK, 它们是由pta-ack操纵子经诱导表达产生的. 采用转座子挽救法, 我们从调控突变株C. glutamicum G25中获得了amrG1和amrG2两个目标基因. 经分析鉴定, amrG1基因(NCBI GenBank 接受号为AF532964)可能参与乙酸代谢调控, 编码作用于pta-ack操纵子的一个调控因子. 该调控因子基因序列全长732 bp, 开放阅读框含有243个氨基酸, 分子量约为27 kD. 通过基因定点缺失和过量表达技术, 在谷氨酸棒杆菌野生型菌株中分别构建了amrG1基因缺失菌株和表达菌株, 并研究了它们在含有葡萄糖和/或乙酸不同碳源的基本培养基上生长时产生的PTA和AK酶活性特征. 酶活性测定结果发现其中的amrG1基因缺失菌株和表达菌株存在着与野生型菌株不同的一系列酶学特征, 分析显示: 以野生型菌株为对照, amrG1基因缺失菌株在含有葡萄糖碳源的培养基上生长时表现出较高的PTA和AK酶活性, 并且在葡萄糖和乙酸两种碳源上生长时表现出与乙酸碳源上生长时几乎同样的PTA和AK酶活性; amrG1基因过量表达对葡萄糖碳源上生长产生的PTA和AK酶活性有一定程度的抑制, 即表现出与基因缺失情况相反的调控效应. 根据以上结果分析, amrG1可能编码了作用于pta-ack操纵子的一个阻遏因子或共阻遏因子.     

真养产碱杆菌合成3-羟基丁酸与3-羟基戊酸共聚物发酵条件研究

在摇瓶条件下,对真养产碱杆菌（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓｅｕｔｒｏｐｈｕｓ）的３羟基丁酸与３羟基戊酸共聚物（ＰＨＢＶ）发酵过程中ＨＶ组分的前体物质———丙酸的加入时间和加入量进行了研究,结果表明,ＰＨＢＶ中ＨＶ组分含量与丙酸的加入时间和加入量有密切的关系,丙酸的最佳加入时间为菌体生长阶段结束后的多聚物合成初期;尽管高浓度丙酸下可获得较高的ＨＶ组分含量,但会明显抑制菌体的生长和产物的合成。通过对２Ｌ小罐中ＰＨＢＶ合成阶段流加不同糖／酸比混合液所得的发酵结果的比较,并在综合考虑ＰＨＢＶ浓度、ＨＶ组分含量、生产强度和生产成本等基础上,提出了在ＰＨＢＶ合成期流加液的糖／酸比应随菌体对丙酸利用能力的下降而不断增加的流加策略,在此条件下,细胞干重、ＰＨＢＶ浓度和ＰＨＢＶ含量和ＨＶ摩尔分率分别达到５２１ｇ／Ｌ、４０８ｇ／Ｌ、７８３％和１６２ｍｏｌ％,ＨＶ组分对丙酸的产率系数为０５ｇ／ｇ,ＰＨＢＶ的生产强度达到０７４ｇ／（Ｌ／ｈ）。     

抗反馈抑制的天冬氨酸激酶基因在钝齿棒杆菌中的表达

将来自钝齿棒杆菌（Corynebacterium crenatum）CD945具有AEC抗性的天冬氨酸激酶(AKfbr)基因克隆到穿梭载体pJC1上,构建重组质粒pLY153。用电击法将质粒pLY153转化到野生型菌株C. crenatum AS1.542及其突变株C. crenatum CD945中。携带AKfbr基因的C. crenatum AS1.542菌株能抗浓度皆为12mg/mL的AEC和苏氨酸。AKfbr基因在C. crenatum CD945中得到表达,天冬氨酸激酶活性提高4倍。摇瓶发酵实验结果表明,重组菌在对数前期和中期生长正常,不受抑制;与对照菌相比,赖氨酸终产量提高22％,赖氨酸生产率提高23％。     

高效启动子在微生物生产4-羟基丁酸中的应用

4-羟基丁酸(4HB)是一种精神类药物,还可用于合成聚-4-羟基丁酸酯(P4HB)、聚(3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯)(P3HB4HB)等聚合物。在醇脱氢酶(DhaT)和醛脱氢酶(AldD)的共同作用下,1,4-丁二醇(BD)可转化为4-羟基丁酸。通过引入T7和PRe两种高效启动子,加强了dhaT和aldD基因的表达,促进合成4-羟基丁酸的反应进行。同时还研究了底物1,4-丁二醇的浓度对4HB生产的影响。结果表明:提供10 g/L的1,4-丁二醇,受PRe启动子调控的重组菌A.hydrophila 4AK4(pZQ01)可生产6.00 g/L的4-羟基丁酸,比对照组提高43.20%;而受T7启动子调控的重组菌A.hydrophila 4AK4(pZQ04)可生产4.87 g/L 4-羟基丁酸,比对照组提高16.23%。意味着T7和PRe这两种启动子确实发挥了提高基因表达水平的作用,加速了4-羟基丁酸的生物合成。