L-鸟氨酸的混合菌种发酵研究

谷氨酸棒杆菌可发酵葡萄糖产L-鸟氨酸。通过连续筛选与驯化筛选到了产量较高的生产菌株CG1006。以GC/MS对发酵液成分的定性分析及鸟氨酸的产量为依据,优化了培养条件,产量从最初的14.346g/L提高到40.416g/L。初步考察了酵母菌CG1006-1对发酵液成分及产量的影响。结果表明混合菌种发酵可纯化发酵液成分。     

L-鸟氨酸高产菌的原生质体融合育种

以谷氨酸高产菌S9114和谷氨酸棒杆菌GS538为出发菌株,应用原生质体融合技术,定向选育出一株L-鸟氨酸高产菌株RH169,该菌株能在发酵液中积累L-鸟氨酸,质量浓度可达19.3 g.L-1。     

谷氨酸棒杆菌代谢工程高效生产L-缬氨酸北大核心CSCD

L-缬氨酸作为一种支链氨基酸,广泛应用于医药和饲料等领域。本研究借助多种代谢工程策略相结合的方法,构建了生产L-缬氨酸的微生物细胞工厂,实现了L-缬氨酸的高效生产。首先,通过增强糖酵解途径、减弱副产物代谢途径相结合的方式,强化了L-缬氨酸合成前体丙酮酸的供给;其次,针对L-缬氨酸合成路径关键酶—乙酰羟酸合酶进行定点突变,提高了菌株的抗反馈抑制能力,并利用启动子工程策略,优化了路径关键酶的基因表达水平;最后,利用辅因子工程策略,改变了乙酰羟酸还原异构酶和支链氨基酸转氨酶的辅因子偏好性,由偏好NADPH转变为偏好NADH,从而提高了L-缬氨酸的合成能力。在5L发酵罐中,最优谷氨酸棒杆菌工程菌株Corynebacterium glutamicum K020的L-缬氨酸产量、得率和生产强度分别达到了110g/L、0.51g/g和2.29 g/(L·h)。     

代谢工程改造微生物高产氨基酸的策略

氨基酸作为一类营养物质在维持机体正常的生理生化反应方面具有重要的功能,常用作食品、药品和化妆品等的添加剂。氨基酸的生产主要依靠微生物发酵,产氨基酸菌的选育却是制约大规模工业生产氨基酸的重要因素。随着微生物分子育种技术的发展和运用,利用代谢工程改造细胞本身固有的代谢网络,指导氨基酸高产菌的选育已成为当前研究的热点。以谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)为例,就该菌株代谢网络的特征以及高产氨基酸的代谢工程策略和应用进行综述。     

微生物合成鸟氨酸的代谢工程研究进展

鸟氨酸是一种非蛋白氨基酸,对氨态氮的排出及解除氨中毒有重要的作用,可用于功能性饮料、减肥保健产品及护肝抗癌药品等,在医疗、保健、食品等领域具有广泛的应用前景。本文系统地总结目前微生物合成鸟氨酸的研究现状,介绍鸟氨酸的分解代谢和合成代谢途径,及其所涉及的关键酶,详细阐述利用代谢工程改造鸟氨酸生产菌的思路,及其所涉及的代谢工程技术和最新研究进展,展望微生物合成鸟氨酸的代谢工程未来发展方向。     

L-组氨酸高产菌株的选育

为得到L-组氨酸的高产菌株,以谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）S9114为出发菌株,利用亚硝基胍（NTG）和硫酸二乙酯（DES）进行多次诱变,在D-组氨酸的抗性梯度平板上挑取正突变株,发酵检测,最终挑出一株S6（D—his＇）,可积累L-组氨酸327mg／L,比出发菌株提高47.3％。     

L-色氨酸生产菌的选育及其发酵条件的研究

以代谢控制发酵理论为指导 ,对L -色氨酸产生菌的定向选育、摇瓶发酵条件、30L发酵罐发酵条件进行了研究。以谷氨酸棒杆菌Tx5 - 32 (Phe- +Tyr- )为出发菌株 ,经硫酸二乙酯 (DES)多次诱变处理 ,定向选育出一株L -色氨酸产生菌TQ2 2 2 3(Phe- +Tyr- +5 -MTr+5 -FTr+SGr+CINr)。以摇瓶分批发酵最优条件为基础 ,对菌株TQ2 2 2 3进行了 30L发酵罐分批发酵试验 ,该菌株发酵 6 4h ,产L -色氨酸 7.2 8g·L- 1 。     

代谢工程改造谷氨酸棒状杆菌合成及分泌途径生产L-缬氨酸

谷氨酸棒状杆菌是目前微生物发酵生产L-缬氨酸的主要工业菌株。文中首先在谷氨酸棒状杆菌VWB-1中敲除了alaT (丙氨酸氨基转移酶),获得突变菌株VWB-2,作为出发菌株。进而对L-缬氨酸合成途径关键酶——乙酰羟酸合酶 (ilvBN) 的调节亚基进行定点突变 (ilvBN1M13),解除L-缬氨酸对该酶的反馈抑制。然后辅助过量表达L-缬氨酸合成途径关键基因ilvBN1M13、乙酰羟酸异构酶 (ilvC)、二羟酸脱水酶 (ilvD)、支链氨基酸氨基转移酶 (ilvE),加强通往L-缬氨酸的碳代谢流,提高菌株的L-缬氨酸水平。最后,基于过量表达L-缬氨酸转运蛋白编码基因brnFE及其调控蛋白编码基因lrp1,提高细胞的L-缬氨酸转运能力。最终获得工程菌株VWB-2/pEC-XK99E-ilvBN1M13CE-lrp1-brnFE在5 L发酵罐中的L-缬氨酸产量达到461.4 mmol/L,糖酸转化率达到0.312 g/g葡萄糖。     

谷氨酸棒杆菌生产琥珀酸的代谢工程研究进展

琥珀酸是一种具有重要应用价值的四碳平台化合物。微生物法发酵生产琥珀酸以其社会、环境和经济优势展现出良好的发展前景。谷氨酸棒杆菌被广泛应用于氨基酸、核苷酸等高附加值化学品的工业化生产,在厌氧条件下细胞处于生长停滞状态,但仍能高效利用碳源合成有机酸,通过代谢工程改造的谷氨酸棒杆菌有望成为理想的琥珀酸生产菌株。结合近年来谷氨酸棒杆菌生产琥珀酸取得的最新成果,本文综述了构建高产琥珀酸工程菌株的代谢工程策略、底物的扩展利用,并展望了将来的研究方向。     

氨基酸生产的代谢工程研究进展与发展趋势

氨基酸发酵是我国发酵工业的支柱产业,近年来,随着代谢工程的快速发展,氨基酸的代谢工程育种蓬勃发展。传统的正向代谢工程、基于组学分析与计算机模拟的反向代谢工程以及借鉴自然进化的进化代谢工程,都有越来越多的应用。在氨基酸的工业生产中涌现出了一系列具有高效生产、抗逆性强等优良性状的菌株。日益剧烈的市场竞争对菌株的选育提出了新的要求,如开发高附加值氨基酸品种、菌株代谢的动态调控、适应新工艺的要求等。文中介绍了氨基酸生产相关的代谢工程研究进展以及未来的发展趋势。     

大肠杆菌代谢工程改造合成L-高丝氨酸及其衍生物研究进展

l-高丝氨酸及其衍生物(O-琥珀酰-l-高丝氨酸和O-乙酰-l-高丝氨酸)是生物合成l-甲硫氨酸的前体,同时也是合成多种C4化合物(异丁醇、g-丁内酯、1,4-丁二醇、2,4-二羟基丁酸等)和l-草铵膦等的平台化合物。因此,发酵法生产l-高丝氨酸及其衍生物成为近年内研究的热点。然而,利用生物法合成l-高丝氨酸及其衍生物仍存在一些不足之处,如发酵产量不高或糖酸转化率过低等。此外,对l-高丝氨酸及其衍生物合成的总体代谢和调控机制鲜有报道。本文综述了大肠杆菌代谢工程改造合成l-高丝氨酸及其衍生物O-琥珀酰-l-高丝氨酸和O-乙酰-l-高丝氨酸的研究进展,从底物摄取、关键节点碳流分配改造、辅酶NADPH的循环供应以及目标产物的外运输出等方面,系统分析了大肠杆菌全发酵法生产l-高丝氨酸及其衍生物的代谢途径及改造策略,为其后续代谢改造及生物法生产提供一定的研究思路。     

理性代谢工程改造促进谷氨酸棒杆菌高效合成L-谷氨酸

L-谷氨酸是世界上第一大宗氨基酸产品,广泛应用于食品医药及化工等行业。以谷氨酸高产菌谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum) G01为出发菌株,首先通过敲除主要副产物丙氨酸合成相关基因-丙氨酸氨基转移酶编码基因(alaT),降低了发酵副产物丙氨酸含量。其次,α-酮戊二酸节点碳流量对谷氨酸合成起重要作用,因此,采用核糖体结合位点(ribosome-binding site,RBS)序列优化降低了α-酮戊二酸脱氢酶的活性,强化了谷氨酸合成代谢流。同时通过筛选不同来源的谷氨酸脱氢酶,加强了α-酮戊二酸内源转化为谷氨酸的能力。接着,对谷氨酸转运蛋白进行理性设计,提高了谷氨酸的外排能力。最后,对基于以上策略构建的整合菌株进行了5 L发酵罐发酵优化,通过梯度升温结合分批补料策略,谷氨酸产量为(136.33±4.68) g/L,较原始菌的产量(96.53±2.32) g/L提高了41.2%;糖酸转化率为55.8%,较原始菌的44.2%提高了11.6%;且降低了副产物丙氨酸的含量。以上策略一定程度上提高了谷氨酸的产量与糖酸转化率,可为谷氨酸生产菌株的代谢改造提供参考。     

丙酮酸和乙酰-CoA协同促进L-亮氨酸的合成

【目的】通过理性改造柠檬酸合酶(citrate synthase,CS)、丙酮酸脱氢酶系E1p (pyruvate dehydrogenase complex,PDHC,编码基因aceE)和ATP-柠檬酸裂解酶(ATP-Citrate lyase,ACL),有效供应胞内丙酮酸和乙酰-CoA,以提高L-亮氨酸产量。【方法】以谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)为底盘细胞,分析不同CS和PDHC酶活水平对L-亮氨酸合成的影响。随后,考查协同改造CS和PDHC或引入绿硫菌(Chlorobium tepidum)中ACL对L-亮氨酸合成的影响。【结果】低强度的CS酶活(即重组菌XL-3 P_(dapA-R2)gltA)有利于L-亮氨酸的合成,L-亮氨酸产量达到17.5±0.6 g/L。而改变PDHC酶活水平不利于L-亮氨酸的合成。此外,以启动子P_(dapA-R2)控制CS表达,而以启动子P_(gapA)控制PDHC表达时(即重组菌XL-4),可实现胞内丙酮酸和乙酰-CoA的有效供给,L-亮氨酸产量达到20.2±1.7 g/L,且显著降低副产物产量。若在重组菌XL-4中引入C.tepidum,ACL会显著抑制菌体生长而不利于L-亮氨酸合成,而引入到出发菌XL-3中因胞内丙酮酸和乙酰-CoA得到有效供给,目标重组菌XL-5L-亮氨酸产量达到18.5±1.2 g/L,比出发菌株XL-3增加了14.2%。【结论】重组菌XL-4中因协同控制CS和PDHC酶活,从而实现胞内丙酮酸和乙酰-CoA有效供给,促进L-亮氨酸的合成。该研究结果对后续利用代谢工程技术强化微生物合成L-亮氨酸等支链氨基酸具有重要的参考价值。     

Glucose-controlled -isoleucine fed-batch production with recombinant strains of Corynebacterium glutamicum

-Isoleucine was produced in a fed-batch bioprocess with -leucine auxotrophic Corynebacterium glutamicum strains developed by genetic engineering. An efficient supply with nutrients was achieved by applying closed-loop control of glucose as the main carbon source, with a model-based, parameter-adaptive control strategy. This control strategy is based on an extended, semi-continuous Kalman filter for process identification and a minimum variance controller. The lab scale fed-batch process with C. glutamicum SM1 and C. glutamicum DR17 pECM3::ilvA38 was characterized with respect to biomass, product and by-product accumulation. A differential analysis of growth, specific productivities, and selectivities was performed to characterize the carbon flow over process time. Characterization of -isoleucine transport steps across the cell membrane resulted in a balance of -isoleucine transport over process time. Up to an extracellular -isoleucine concentration of 140 mM the cytosolic -isoleucine, provided by the biosynthesis, was quantitatively excreted into the medium via the export carrier system. Optimized feeding profiles for -leucine and phosphate in correlation with the on-line estimated glucose consumption were achieved up to the pilot scale (300-1 stirred tank reactor). The maximum -isoleucine concentration was 150 mM (21 g l⁻¹) with a space-time yield of 4.3 mmol l⁻¹ h⁻¹. With a 98% closed carbon balance the selectivity for isoleucine was 14%, for biomass 13%, and for CO₂ 68%.     

代谢工程改造酿酒酵母合成植物萜类D-柠檬烯的策略

植物萜类化合物是以异戊二烯为结构单位的一大类植物天然的次生代谢产物。D-柠檬烯属于单萜类化合物,由于它具有抑菌、增香、抗癌、止咳、平喘等多种功能,已被广泛应用于食品、香料、医疗等行业。目前D-柠檬烯的工业生产主要是从植物的果皮或者果肉中提取的,但提取方法存在着分离纯化复杂、产率低、能耗大等缺点。而本世纪初合成生物学技术的兴起,为微生物异源合成天然活性化合物带来了全新的理念与工具,打破了物种间的界限,使微生物异源合成D-柠檬烯成为现实。构建定向、高效的异源合成D-柠檬烯的微生物细胞工厂,实现微生物发酵法替换传统的植物提取法,具有重要的经济与社会效益。本文主要回顾了近几年利用代谢工程改造酿酒酵母异源合成萜类化合物取得的成就,阐述了以酿酒酵母作为底盘微生物,利用代谢工程和合成生物学的手段构建高产D-柠檬烯的合成策略。     

Carbon flux analysis in a pantothenate overproducing Corynebacterium glutamicum strain

Carbon flux analysis during a pseudo-stationary phase of metabolite accumulation in a genetically engineered strain of Corynebacterium glutamicum, containing plasmids leading to over-expression of the ilvBNCD and panBC operons, has identified the basic metabolic constraints governing the potential of this bacterium to produce pantothenate. Carbon flux converging on pyruvate (75% of glucose uptake) is controlled by anabolic precursor requirements and NADPH demand provoking high carbon loss as CO₂ via the pentose pathway. Virtually all the flux of pyruvate is directed into the branched pathway leading to both valine and pantothenate production, but flux towards valine is tenfold higher than that transformed to pantothenate, indicating that significant improvements will only be obtained if carbon flux at the ketoisovalerate branchpoint can be modulated.     

Dynamics of glutamate synthesis and excretion fluxes in batch and continuous cultures of temperature-triggered Corynebacterium glutamicum

Corynebacterium glutamicum 2262 strain, when triggered for glutamate excretion, experiences a rapid decrease in growth rate and increase in glutamate efflux. In order to gain a better quantitative understanding of the factors controlling the metabolic transition, the fermentation dynamics was investigated for a temperature-sensitive strain cultivated in batch and glucose-limited continuous cultures. For non-excreting cells at 33°C, increasing the growth rate resulted in strong increases in the central metabolic fluxes, but the intracellular glutamate level, the oxoglutarate dehydrogenase complex (ODHC) activity and the flux distribution at the oxoglutarate node remained essentially constant. When subjected to a temperature rise to 39°C, at both high- and low-metabolic activities, the bacteria showed a rapid attenuation in ODHC activity and an increase from 28% to more than 90% of the isocitrate dehydrogenase flux split towards glutamate synthesis. Simultaneously to the reduction in growth rate, the cells activated a high capacity export system capable of expelling the surplus of synthesized glutamate.     

发酵工业菌种的迭代创制

生物发酵是以微生物菌种为生物催化剂,以淀粉糖、生物质等可再生资源为原料发酵生产各种食品、化学品、燃料、材料等物质的生产过程,具有绿色、低碳和可持续等特征。我国拥有全球规模最大的生物发酵产业,尤其氨基酸、维生素等传统发酵产品占全球市场份额的60%–80%。发展生物发酵产业对于我国实现“碳中和、碳达峰”的战略目标和生物经济发展具有重要的意义。微生物工业菌种是生物发酵产业的核心,直接影响原料路线、产品种类和生产成本。创新发酵工业菌种,提升其原料转化利用效率,提高产物生产水平,拓展产品种类,是生物发酵产业高质量发展的关键。近年来,合成生物学、系统生物学等学科的发展,进一步加深了研究者对微生物底盘细胞生理代谢机制的理解,加速了基因编辑等菌种设计创制使能技术的发展,为发酵工业菌种改造提升提供了新动能。本文选取了具有代表性的大宗氨基酸、B族维生素、柠檬酸、燃料乙醇等发酵产业,从其工业微生物底盘的基础研究和技术开发角度,综述发酵工业菌种改造提升的最新进展,并展望人工智能、自动化与生命科学交叉融合将对工业菌种迭代产生的重要影响。