β-半乳糖苷酶和阿拉伯糖异构酶共表达一步法催化乳糖到塔格糖

[目的] 构建一株以廉价原料乳糖为底物合成塔格糖的重组菌株,实现一步法高效生物合成稀有糖——塔格糖。[方法] 从Escherichia coli K-12基因组中,PCR扩增出阿拉伯糖异构酶araA和β-半乳糖苷酶lacZ基因,以SD-AS为连接子,利用pET28a-1载体串联表达于Escherichia coli BL21（DE3）,获得重组菌E.coli BL21/pET28a-araA-lacZ,对重组菌全细胞催化合成塔格糖的条件进行了工艺优化与放大研究。[结果] araA和lacZ基因在E.coli BL21中同时高效表达,在最优条件（pH 8.0、温度50℃、5 mmol/L Mn²⁺、添加0.5 mol/L硼酸和0.1% SDS）下,E.coli BL21/pET28a-araA-lacZ全细胞转化100 g/L乳糖,合成塔格糖最高产量达24.03±2.03 g/L,乳糖到塔格糖的摩尔转化率为45.67%,随着底物乳糖浓度的提高,塔格糖产量呈不同程度的提高,当投加500 g/L底物乳糖时,全细胞合成塔格糖产量最高达83.81±1.38 g/L。[结论] 通过2个关键靶酶的编码基因araA和lacZ在E.coli BL21细胞中进行共表达,实现了以重组菌全细胞为催化剂转化廉价底物乳糖,一步法高效合成稀有糖塔格糖,该研究为生物法制备低能量的功能性稀有糖奠定了较好的研究基础。     

产γ-氨基丁酸基因工程重组大肠杆菌的构建及其发酵特性

【目的】构建高产γ-氨基丁酸的基因工程重组大肠杆菌（E.coli）,并研究其发酵特性。【方法】首先通过分子生物学方法构建重组质粒pTrc99a-gadB和pTrc99a-gadB-SNO1-SNZ1,然后分别将它们转入基因敲除菌株E.coli ΔgabPΔpuuE/pTrc99a-gadB在含20 g/L底物l-谷氨酸钠的1 L发酵液中的扩大培养结果表明,重组菌培养24 h时,其发酵液中γ-氨基丁酸的含量达到最高值9.4 g/L。【结论】经基因工程构建的重组大肠杆菌产γ-氨基丁酸的能力明显提高,该研究结果为γ-氨基丁酸的产业化生产提供了良好基础。     

模块化工程改造大肠杆菌生产L-色氨酸

L-色氨酸作为一种必需氨基酸,广泛应用于食品、饲料和医药等领域。目前,微生物法生产L-色氨酸存在转化率低等问题。为此,本研究通过敲除L-色氨酸操纵子阻遏蛋白(L-tryptophan operon repressor protein, trpR)、替换l-色氨酸弱化子(trpL)、引入抗反馈调节的aroG^fbr等,获得可积累11.80 g/L L-色氨酸的底盘菌株大肠杆菌(Escherichia coli)TRP3。在此基础上,将L-色氨酸合成途径分为中心代谢途径模块、莽草酸(shikimic acid, SA)途径至分支酸(chorismic acid, CHA)模块、分支酸至L-色氨酸模块,并借助启动子工程,通过平衡中心代谢途径模块、莽草酸途径至分支酸模块、分支酸至L-色氨酸模块,获得工程菌E.coli TRP9。在5 L发酵罐中,工程菌E.coli TRP9的L-色氨酸产量提升至36.08 g/L,糖酸转化率提升至18.55%,达到理论转化率的81.7%。本研究利用模块工程策略,构建了高产L-色氨酸生产菌株,为l-色氨酸的规模化生产奠定了良好的基础。     

木酮糖激酶表达水平对酿酒酵母木糖代谢产物流向的影响

在酿酒酵母中分别引入真菌和细菌的木糖代谢关键酶,木糖还原酶基因XYL1、木糖醇脱氢酶基因XYL2和木糖异构酶基因xylA. 并在此基础上以共转化策略超表达下游关键酶木酮糖激酶基因XKS1. 与亲本菌株相比,用pMA91和YEp24质粒表达XKS1的重组菌株,木酮糖激酶（xylulokinase,XK）活性分别提高了14和6.7倍. 在限氧条件下,重组菌株对木糖和葡萄糖的共发酵结果显示,表达XYL1,XYL2以及XKS1的重组菌株HSXY-251木糖消耗为12.4 g/L,提高了120.9%,乙醇产量达到9.4 g/L,提高了36%,副产物木糖醇产量为0.7 g/L,下降了84.9%.     

链霉菌Streptomyces sp. M-Z18转化前体L-赖氨酸合成ε-聚赖氨酸的研究

目的:考察不同细胞培养方式对Streptomyces sp. M-Z18转化前体L-赖氨酸合成ε-聚赖氨酸过程的影响。方法:利用两阶段细胞培养和发酵过程流加方式,建立了两阶段细胞培养转化前体L-赖氨酸合成ε-聚赖氨酸以及转化前体L-赖氨酸耦合甘油发酵生产ε-聚赖氨酸的策略。结果:(1)两阶段细胞培养转化前体L-赖氨酸合成ε-聚赖氨酸策略实现ε-PL积累15 g/L, 转化L-赖氨酸3 g/L;(2)转化前体L-赖氨酸耦合甘油发酵生产ε-聚赖氨酸策略使得ε-PL产量达到33.76 g/L,单位菌体的合成能力提高37.8%,转化L-赖氨酸4 g/L。这表明,上述两种方式下前体L-赖氨酸都能够被Streptomyces sp. M-Z18转化合成ε-聚赖氨酸,但转化效率还有待进一步提高。意义:揭示了Streptomyces sp. M-Z18合成ε-聚赖氨酸的限速步骤在于初级代谢产物L-赖氨酸的合成,这为后续利用代谢工程手段改造菌株提供了方向。     

重组人血管内皮抑制素（rh-Endostatin）大肠杆菌表达体系发酵条件的优化

优化了重组人血管内皮抑制素的E. coli表达体系的发酵条件。利用E. coli表达体系得到了较高的产量,在9h左右的发酵周期内达到OD600值140,包涵体蛋白产量为3 g/L。主要优化了异丙基-β-D-硫代半乳糖苷（Isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside, IPTG）的终浓度、诱导时间、培养温度、补料控制方法等条件,并且在诱导后提高培养温度到40℃,在非常短的培养周期内达到了高密度培养的目的。利用E. coli表达,继而通过复性获得有活性的重组人血管内皮抑制素,成本低、生产过程稳定可控、得到的蛋白性质稳定,符合工业生产的需要。     

产O-乙酰高丝氨酸的大肠杆菌构建与发酵测试

O-乙酰高丝氨酸(OAH)是具有潜在工业应用价值的前体化合物,可用于制备高丝氨酸与蛋氨酸等。以一株改造自苏氨酸产生菌的Escherichia coli Thr L为出发菌株,过表达OAH合成途径中的关键酶高丝氨酸脱氢酶基因thr A和高丝氨酸乙酰基转移酶基因met X,并利用不同强度的启动子组合优化这两个基因的表达水平,通过发酵培养基中的苏氨酸和酵母粉的浓度优化以提升OAH的产生菌株的生产性能。通过启动子组合优化结果发现,当thr A与met X均采用J23110启动子时,该重组菌株E.coliOAH4的OAH合成能力最强,摇瓶发酵50 h后,其OAH产量为1.54 g/L。当苏氨酸的浓度为2 g/L,酵母粉的浓度为6 g/L时,E.coli OAH4的发酵水平最高,摇瓶发酵50 h后,OAH的产量可进一步提升至1.98 g/L。本研究首次在E.coli中实现了OAH的合成,并通过发酵优化确定了OAH的最优发酵条件,为后续OAH生产应用研究奠定了基础。     

大鼠脑cDNA文库的构建

采用简单高效的cDNA合成技术制备Wistar大鼠脑cDNA基因文库,以纯化的poly( A)⁺－RNA为模板,含Not I切点的oligo－（dT）15为引物,在反转录酶的作用下,合成第一股单链cDNA;用E.coli RNase H除去模板RNA,并以E.coli DNA聚合酶Ｉ,E.coli DNA连接酶和T4 DNA聚合酶催化合成cDNA第二条链,即成为双链cDNA;此双股cDNA除0．5μg用于插入pSPORT I载体,转入E.coli DH5a,建成cDNA文库外,其余保存在－20℃,以此cDNA为模板,应用PCR方法,先后克隆了谷氨酸脱羧酶（GAD,1800bp）、神经元特异性烯醇化酶（NSE,1340bp）,甲状腺激素受体（T3－receptor,1230bp）、胆囊收缩素（CCK,345bp）的全编码基因．     

外源蛋白(BglS)在大肠杆菌中的合成、定域和加工

B.subtilis中编码β-1,3-1,4葡聚糖酶的基因bglS,它的产物在E.coli中的合成受宿主、载体和基因片段插入方向的影响。从E.coli细胞中BglS蛋白质定域分析和SDS-PAGE中活性酶分子检测发现存在着32kD和27kD两种活性酶分子,酶分子在周质空间很少停留。这种不同的活性酶分子的出现和分泌特点,可能与大肠杆菌细胞蛋白质加工和转位的方式有关。     

重组刺桐胰蛋白酶抑制剂a的制备及其在tPA突变体纯化中的应用

将基因工程菌株E.coliBL21(DE3) pET22b-mETIa高密度发酵,用异丙基硫代-β-D-半乳糖苷(IPTG)诱导,重组刺桐胰蛋白酶抑制剂a(rETIa)蛋白在E.coli中得到较高水平表达,表达量占菌体总蛋白的40%以上.经菌体破碎、包涵体变性、复性,二步柱层析纯化得到电泳纯的rETIa蛋白.测得rETIa对t-PA突变体(NTA)的抑制平衡常数K_i为8.72×10^－8 mol/L.据此利用纯化的rETIa蛋白制备rETIa-Sepharose 4B亲和层析柱.直接一步纯化NTA复性液,纯化的NTA纯度达90 %以上,收率为96.2 %,纯化倍数为13.2,比活为(565.7±71.3) U/μg.     

代谢工程改造大肠杆菌合成丙二酸

丙二酸是一种重要的有机二元羧酸,其应用价值遍及化工、医药、食品等领域。本文以大肠杆菌为底盘细胞,过表达了ppc、aspC、panD、pa0132、yneI和pyc基因,成功构建了丙二酸合成重组菌株大肠杆菌BL21(TPP)。该菌株在摇瓶发酵条件下,丙二酸产量达到0.61 g/L。在5 L发酵罐水平,采用间歇补料的方式丙二酸的积累量达3.32 g/L。本研究应用了融合蛋白技术,将ppc和aspC、pa0132和yneI分别进行融合表达,构建了工程菌BL21(SCR)。在摇瓶发酵水平,该菌株丙二酸的积累量达到了0.83 g/L,较出发菌株BL21(TPP)提高了36%。在5 L发酵罐中,工程菌BL21(SCR)的丙二酸产量最高达5.61 g/L,较出发菌株BL21(TPP)提高了69%。本研究实现了丙二酸在大肠杆菌中的生物合成,为构建丙二酸合成的细胞工厂提供了理论依据和技术基础,同时也对其他二元羧酸的生物合成具有启发和指导意义。     

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。     

Production of γ-aminobutyric acid in Escherichia coli by engineering MSG pathway

Abstract

The compound γ-aminobutyric acid (GABA) has many important physiological functions. The effect of glutamate decarboxylases and the glutamate/GABA antiporter on GABA production was investigated in Escherichia coli. Three genes, gadA, gadB, and gadC were cloned and ligated alone or in combination into the plasmid pET32a. The constructed plasmids were transformed into Escherichia coli BL21(DE3). Three strains, E. coli BL21(DE3)/pET32a-gadA, E. coli BL21(DE3)/pET32a-gadAB and E. coli BL21(DE3)/pET32a-gadABC were selected and identified. The respective titers of GABA from the three strains grown in shake flasks were 1.25, 2.31, and 3.98?g/L. The optimal titer of the substrate and the optimal pH for GABA production were 40?g/L and 4.2, respectively. The highest titer of GABA was 23.6?g/L at 36?h in batch fermentation and was 31.3?g/L at 57?h in fed-batch fermentation. This study lays a foundation for the development and use of GABA.     

Ubiquinone-10 production using Agrobacterium tumefaciens dps gene in Escherichia coli by coexpression system

Ubiquinone (Coenzyme Q; abbreviation, UQ) acts as a mobile component of the respiratory chain by playing an essential role in the electron transport system, and has been widely used in pharmaceuticals. The biosynthesis of UQ involves 10 sequential reactions brought about by various enzymes. In this study we have cloned, expressed the decaprenyl diphosphate synthase, designated dps gene, from Agrobacterium tumefaciens, and succeeded in detecting UQ-10 in addition to innate UQ-8 in Escherichia coli. Furthermore, the production of UQ-10 was higher than UQ-8. To establish an efficient expression system for UQ-10 production, we used genes, including ubiC, ubiA, and ubiG involved in UQ biosynthesis in E. coli, to construct a better co-expression system. The expression coupled by dps and ubiCA was effective for increasing UQ-10 production by five times than that by expressing single dps gene in the shake flask culture. To study for a large-scale production of UQ-10 in E. coli, fed-batch fermentations were implemented to achieve a high cell density culture. A cell concentration of 85.40 g/L and 94.58 g/L dry cell weight (DCW), and UQ-10 content of 50.29 mg/L and 45.86 mg/L was obtained after 32.5 h and 27.5 h of cultivation, subsequent to isopropyl-β-d-thiogalactopy ranoside and lactose induction, respectively. In addition, plasmid stability was maintained at high level throughout the fermentation.     

调控大肠杆菌胞内ATP和NADH水平促进琥珀酸生产

琥珀酸作为一种重要的C4平台化合物,广泛应用于食品、化学、医药等领域。利用大肠杆菌(Escherichia coli)发酵生产琥珀酸受胞内辅因子不平衡的影响,存在产率低、生产强度低、副产物多等问题。为此,对不同氧气条件下琥珀酸产量和化学计量学分析发现,微厌氧条件下E.coli FMME-N-26高效积累琥珀酸需要借助三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA)为还原性三羧酸途径(reductive tricarboxylic acid pathway,r-TCA)提供足够的ATP和NADH。通过减少ATP消耗、强化ATP合成、阻断NADH竞争途径和构建NADH回补路径等代谢工程策略,组合调控胞内ATP与NADH含量,获得工程菌株E.coli FW-17。通过发酵条件优化,菌株E.coli FW-17在5 L发酵罐能积累139.52 g/L琥珀酸,比出发菌株提高了17.81%,乙酸浓度为1.40 g/L,降低了67.59%。进一步在1000 L发酵罐中进行放大实验,琥珀酸产量和乙酸浓度分别为140.2 g/L和1.38 g/L。     

Pathway engineering of Escherichia coli for α-ketoglutaric acid production

α-Ketoglutaric acid (α-KG) is a multifunctional dicarboxylic acid in the tricarboxylic acid (TCA) cycle, but microbial engineering for α-KG production is not economically efficient, due to the intrinsic inefficiency of its biosynthetic pathway. In this study, pathway engineering was used to improve pathway efficiency for α-KG production in Escherichia coli. First, the TCA cycle was rewired for α-KG production starting from pyruvate, and the engineered strain E. coli W3110Δ4-PCAI produced 15.66 g/L α-KG. Then, the rewired TCA cycle was optimized by designing various strengths of pyruvate carboxylase and isocitrate dehydrogenase expression cassettes, resulting in a large increase in α-KG production (24.66 g/L). Furthermore, acetyl coenzyme A (acetyl-CoA) availability was improved by overexpressing acetyl-CoA synthetase, leading to α-KG production up to 28.54 g/L. Finally, the engineered strain E. coli W3110Δ4-P_(H)CAI_(H)A was able to produce 32.20 g/L α-KG in a 5-L fed-batch bioreactor. This strategy described here paves the way to the development of an efficient pathway for microbial production of α-KG.     

产麦角硫因大肠杆菌工程菌株的构建与优化

麦角硫因(ergothioneine,ERG)是一种天然的抗氧化剂,广泛应用于化妆品、食品以及医药领域.相比于传统植物提取和化学合成方法,微生物发酵合成麦角硫因具有周期短、成本低等优点,因而受到广泛关注.为构建高产麦角硫因的大肠杆菌工程菌株,本研究以大肠杆菌(Escherichia coli) BL21 (DE3)为出...     

基于比较代谢组学的理性优化方法提高阿维菌素产量

【目的】利用比较代谢组学的分析方法,研究不同发酵培养基中阿维链霉菌的胞内代谢差异,揭示合成阿维菌素的关键代谢物和代谢途径,再通过理性优化添加主要关键代谢物,提高阿维菌素产量。【方法】对M1和M2培养基中生长的菌体进行基于GC-MS的胞内代谢组学分析,通过理性添加强化前体代谢物,确定阿维菌素高产培养基。【结果】GC-MS共检测到232种物质,能够精确匹配70种胞内代谢物,通过PCA和PLS分析,最终确定了21种已知的胞内代谢物与阿维菌素的生物合成密切相关。其中乳酸、丙酮酸、琥珀酸、苏氨酸、异亮氨酸、缬氨酸和油脂类物质对阿维菌素的产量影响较为显著。通过单独或组合优化添加这些前体,阿维菌素的产量从5.36 g/L提高到了5.92 g/L,增加了10.4%。【结论】基于比较代谢组学分析的理性优化培养基的方法可有效提高阿维菌素的产量,并为提高当下生物基产品的产量提供了新思路。