大肠杆菌工程菌ptsG基因敲除及其缺陷株混合糖同型乙醇发酵

为实现可同时利用木糖和葡萄糖进行生产发酵,以产乙醇的大肠杆菌工程菌SZ470为出发菌株(△pflB,△frdABCD,△ackA,△ldhA),采用同源重组技术,敲除葡萄糖转运基因ptsG,以构建不受葡萄糖抑制效应影响的菌株SZ470P.SZ470P在5％混合糖(2.5％木糖和2.5％葡萄糖)培养基中能同时利用葡萄糖和木糖进行发酵,葡萄糖消耗量是13 g/L,为对照菌株SZ470的一半;木糖消耗量是20 g/L,是SZ470的3.8倍;乙醇的最高产量为15.01 g/L,转化率为89.13％,比SZ470提高了14.32％.结果表明,工程菌SZ470P可同时利用葡萄糖和木糖发酵生产高产量的乙醇.     

大肠杆菌ptsG基因的敲除及其对L-phe生产的影响

L-phe是重要的食品和医药中间体,用大肠杆菌发酵葡萄糖生成phe时,对葡糖糖转运起重要作用的磷酸烯醇丙酮酸糖磷酸转移酶系统(PTS)对phe产量合成有很大影响,在大肠杆菌PTS系统中,葡糖糖主要由ptsG基因编码的葡萄糖特异性转运蛋白酶ⅡCBGlc转运入细胞,通过基因敲除技术获取ptsG缺陷菌株,可以减少菌株对葡糖糖的摄取,减少乙酸的生成,利于菌株的高密度发酵和相关代谢中间物获得。利用Red同源重组技术将大肠杆菌染色体上的ptsG基因进行敲除,得到PTS缺陷菌株MD-ptsG-。该菌株在以葡萄糖为惟一碳源的培养基中摇瓶培养,菌密度为对照菌株的3.5倍,L-phe产量提高12%。     

Knockout of ptsG Gene in Escherichia coli and Its Influence on Production of L-phenylalanine

L-phe 是重要的食品和医药中间体,用大肠杆菌发酵葡萄糖生成 phe 时,对葡糖糖转运起重要作用的磷酸烯醇丙酮酸糖磷酸转移酶系统(PTS)对 phe 产量合成有很大影响,在大肠杆菌 PTS 系统中,葡糖糖主要由 ptsG 基因编码的葡萄糖特异性转运蛋白酶ⅡCBGlc转运入细胞,通过基因敲除技术获取ptsG缺陷菌株,可以减少菌株对葡糖糖的摄取,减少乙酸的生成,利于菌株的高密度发酵和相关代谢中间物获得.利用 Red 同源重组技术将大肠杆菌染色体上的 ptsG 基因进行敲除,得到 PTS 缺陷菌株 MD-ptsG-.该菌株在以葡萄糖为惟一碳源的培养基中摇瓶培养,菌密度为对照菌株的3.5倍,L-phe 产量提高12％.     

大肠杆菌PTS系统改造及重组菌生长性能测定

利用Red重组系统对野生大肠杆菌Escherichia coli磷酸烯醇式丙酮酸-糖磷酸转移酶系统(Phosphoenolpyruvate:carbohydrate phosphotransferase system,PTS)进行修饰改造,敲除PTS系统中关键组分EⅡCBGlc的编码基因(ptsG),磷酸组氨酸搬运蛋白HPr的编码基因(ptsI),同时敲入来源于运动发酵单胞菌Zymomonas mobilis的葡萄糖易化体(Glucose facilitator)编码基因(glf),构建重组大肠杆菌,比较测定并系统评价了基因敲除和敲入对细胞的生长、葡萄糖代谢和乙酸积累的影响。敲除基因ptsG和ptsI造成大肠杆菌PTS系统部分功能缺失,细胞生长受到一定限制,敲入glf基因后,重组大肠杆菌能够利用Glf-Glk(葡萄糖易化体-葡萄糖激酶)途径,消耗ATP将葡萄糖进行磷酸化并转运进入细胞。通过该途径转运葡萄糖能够提高葡萄糖利用效率,降低副产物乙酸生成,同时能够使更多的碳代谢流进入后续相关合成途径,预期能够提高相关产物产量。     

大肠杆菌ptsHIcrr操纵子的快速敲除及敲除菌生长性能测定

敲除大肠杆菌磷酸烯醇式丙酮酸-糖磷酸转移酶系统(简称PTS系统)ptsHIcrr操纵子,考察敲除菌株生长特性并将其与ptsG敲除菌进行比较。利用I-SceⅠ特异性切割和Red同源重组方法成功构建了大肠杆菌DH5α△ptsHIcrr敲除菌。在LB培养基中,DH5α△ptsHIcrr的生长行为与DH5α和DH5α△ptsG明显不同,其最高菌密度是DH5α和DH5α△ptsG的近2倍,而DH5α△ptsG生长行为与DH5α无明显差异。但在含1%葡萄糖的LB中,DH5α△ptsHIcrr和DH5α△ptsG均表现出生长优势,最高菌密度依次是DH5α的2.8和2倍;培养液中最终乙酸含量分别是DH5α的12.2%、47%。在M9修饰培养基中,DH5α△ptsHIcrr比生长速率(1/h)和比葡萄糖消耗速率[g/(g.h)]明显低于DH5α,并略低于DH5α△ptsG。结果说明,ptsHIcrr操纵子敲除菌改变了葡萄糖的代谢速率,并呈现与ptsG基因敲除菌不同的代谢特点。     

大肠杆菌ptsHI-crr基因的敲除及其对苯丙氨酸生产的影响

L-苯丙氨酸(L-phenylalanine)是重要的食品和医药中间体。利用大肠杆菌发酵葡萄糖生产苯丙氨酸时,对葡萄糖转运起重要作用的磷酸烯醇丙酮酸糖磷酸转移酶系统(PTS)对苯丙氨酸产量有很大影响。由ptsHI-crr操纵子编码的磷酸组氨酸载体蛋白(HPr),酶I(EI)和酶IIAGlc是PTS的必要组分,通过敲除ptsHI-crr得到PTS缺陷菌株,可以使葡萄糖代谢更多地流向苯丙氨酸生物合成。采用Red同源重组技术将大肠杆菌染色体上的ptsHI-crr基因替换为四环素抗性基因,得到PTS缺陷菌株。该菌株在以葡萄糖为惟一碳源的培养基中摇瓶培养,菌密度为对照菌株的2.7倍,苯丙氨酸产量为对照菌株的6.3倍。     

CIT2基因对突变酿酒酵母木糖利用影响的研究

木糖利用困难是秸秆燃料乙醇产业化的制约因素,改造酿酒酵母使其能够代谢木糖生成乙醇是当前研究的热点之一。为了研究CIT2基因对遗传改良酿酒酵母C5D-P-M菌株中葡萄糖与木糖共发酵过程中木糖利用的影响,设计引物并应用重叠PCR技术获得敲除CIT2基因的敲除组件,通过同源重组的方法将C5D-P-M中的CIT2基因敲除得到突变菌株C5D-P-M-CIT2Δ。通过对出发菌株和突变菌株的生长速率、葡萄糖利用率、木糖利用率及乙醇产量进行研究,结果表明突变菌株C5D-P-M-CIT2Δ的上述指标比出发菌株C5D-P-M均有一定程度的提高。因此推测,酿酒酵母中CIT2基因是影响木糖利用的因素之一,CIT2基因的敲除可提高酿酒酵母的木糖利用率。     

proC及putP基因的敲除对钝齿棒杆菌产L-精氨酸生理代谢的影响

为了选育精氨酸高产菌株,基于谷氨酸棒杆菌的基因组尺度代谢网络模型的指导,以钝齿棒杆菌(Corynebacterium crenatum)MT-M4为出发菌株,通过基因敲除技术构建了pro C和put P敲除菌株。摇瓶发酵结果表明,pro C敲除菌株精氨酸产量达到9.94g/L,较出发菌株提高了15.90%,葡萄糖转化率提高了26.02%。由于其生长受到明显抑制,因此在发酵液中外源添加24mmol/L的脯氨酸,结果发现其精氨酸产量达到12.22g/L,且菌株恢复生长。put P敲除菌株精氨酸产量达到12.23g/L,较出发菌株提高了42.70%,葡萄糖转化率提高了49.31%。以上结果显示,put P的敲除比pro C的敲除更有利于精氨酸的合成,put P的敲除对菌株的生理代谢基本无影响且无需外添加脯氨酸。     

产D-乳酸重组大肠杆菌ptsG基因的敲除及其混合糖同步发酵

为构建能够同时高效利用五碳糖和六碳糖发酵产D-乳酸的重组大肠杆菌工程菌,以能高效利用五碳糖发酵产D-乳酸的大肠杆菌工程菌E.coli JH13为出发菌株,通过Red同源重组技术敲除葡萄糖跨膜转运基因pts G。实验结果表明,pts G缺陷菌株E.coli JH15在10%混合糖(5%葡萄糖和5%木糖)培养基中发酵,可同时利用五碳糖和六碳糖以完成发酵;而对照菌葡萄糖消耗完才利用木糖,发酵结束还有18 g/L木糖残留;JH15乳酸产量为83.04 g/L,相比于对照菌株提高了25.86%;在稻草秸秆水解液中发酵,JH15同时利用葡萄糖、木糖和L-阿拉伯糖,乳酸产量为25.15 g/L,转化率为86.42%。JH15作为能利用混合糖同步发酵产D-乳酸的大肠杆菌工程菌,它的成功构建为利用廉价的木质纤维素水解物为原料发酵生产D-乳酸提供参考依据。     

大肠杆菌ptsG和ptsM突变体的构建及特性研究

目的：敲除大肠杆菌DH5α中与葡萄糖磷酸化转运相关的ptsG、ptsM基因,考察缺陷株生长特性及其可能的应用。方法：PCR扩增靶基因,构建两翼带有靶基因序列并嵌合抗药基因标记的线性片段,利用Red同源重组技术敲除靶基因。结果：成功敲除了大肠杆菌DH5α的ptsG和ptsM基因;在含有葡萄糖的LB培养基中,DH5αΔptsG最高菌密度是亲本的2.8倍,添加吡咯喹啉醌或导入其生物合成基因后能够产酸;DH5αΔptsM最高菌密度是亲本的4/10,有明显的产酸现象。结论：DH5αΔptsG可用于大肠杆菌高密度发酵和吡咯喹啉醌生物合成基因缺陷株筛选。     

大肠杆菌ptsG基因敲除及其缺陷株生长特性研究

在大肠杆菌磷酸转移酶系统中,葡萄糖主要由ptsG基因编码的酶ⅡCB^Glc转运入细胞。利用代谢工程技术构建ptsG基因缺陷株,有望降低葡萄糖的摄取速率,减少乙酸累积,促进菌体生长。运用PCR技术,扩增出两翼与ptsG基因上下游序列同源,中间为氯霉素抗性基因的DNA片段。经电转化,将外源DNA片段分别转入Escherichia coli DH5a、JM109中。在Red重组酶的作用下,外源DNA片段与染色体上同源区域重组,将基因ptsG敲除,构建ptsG基因缺陷株：DH5αP,JM109P。在LB培养基中,ptsG基因缺陷株的生长状况与亲株无明显差异。在含有葡萄糖的LB培养基中,DH5αP、JM109P的最高菌密度分别是对照菌株DH5α,JM109的3．47倍和4．25倍,ptsG基因缺陷株对葡萄糖的摄入量也明显高于对照菌株。重组蛋白肿瘤坏死因子(TNF)在DH5αP、JM109P中的表达量分别占全菌蛋白的24．3％、20．8％,A600分别为8．28、7．62,TNF在缺陷株中单位体积的表达量明显高于对照菌株。以上结果说明,大肠杆菌ptsG基因缺陷株具有良好的生长能力和表达外源蛋白的能力,在大肠杆菌高密度发酵研究方面具有良好的应用前景。     

重组运动发酵单胞菌的构建及木糖利用特性研究

将大肠杆菌(Escherichia coli)木糖代谢的关键酶基因.引入到运动发酵单胞菌中,获得能利用木糖发酵生产乙醇的重组工程菌株PZM.混合糖发酵过程中,重组菌利用葡萄糖和木糖生成乙醇的效率分别达到理论值的81.2%和63.1%.     

好氧发酵生产琥珀酸工程菌株的构建

通过分析大肠杆菌的碳源代谢途径, 利用基因敲除手段, 以Escherichia coli MG1655为出发菌株, 成功构建了琥珀酸好氧发酵生产工程菌E. coli QZ1111 (MG1655?ptsG?poxB?pta?iclR?sdhA)。检测结果表明该菌株能以葡萄糖为碳源, 在好氧发酵且不表达任何异源基因的条件下大量积累琥珀酸。摇瓶试验证明, 琥珀酸发酵产量达到26.4 g/L, 乙酸盐作为唯一检测到的副产物产量为2.3 g/L。二者浓度比达到11.5:1。     

重组菌Ralstonia eutropha W50-EAB D-木糖代谢相关的限速靶点

【目的】通过代谢工程改造真养罗氏菌(Ralstonia eutropha)W50-EAB木糖代谢的相关限速靶点,进一步提高R.eutropha W50-EAB的D-木糖利用效率,为获得高效利用纤维素水解液的菌株奠定基础。【方法】利用PCR技术扩增R.eutropha转酮酶基因tkt A,cbb T2和转醛酶基因tal,将扩增的tkt A,cbb T2和tal基因分别构建到表达载体p BBR1MCS-3上,获得重组质粒p WL1-TKT,p WL1-CBBT2,p WL1-TAL。通过电转的方式将质粒分别转化W50-EAB获得重组菌W50-KAB,W50-CAB和W50-TAB。利用基因敲除的方法,获得醛还原酶基因h16_A3186敲除株W50’-EAB。通过电转的方式将重组质粒p WL1-TAL导入敲除株W50’-EAB获得重组菌株W50’-TAB。通过摇瓶发酵研究重组菌株W50-KAB,W50-CAB,W50-TAB,W50’-EAB以及W50’-TAB的发酵特性。【结果】酶活分析结果表明,转酮酶和转醛酶基因实现表达。摇瓶发酵结果表明,转酮酶基因过表达菌株W50-KAB和W50-CAB相比于对照菌株W50-EAB/p3,表现出降低的木糖利用能力;而转醛酶基因过表达重组菌株W50-TAB以及敲除菌株W50’-EAB对木糖的利用得到一定的提高。在0.1 mol/L木糖的发酵培养基中,W50-EAB的最大比生长速率为0.035 h-1,PHB干重比为16.2±1.01%;而W50-TAB的最大比生长速率提高到0.039 h-1,PHB干重比达到20.5±0.76%;醛还原酶基因敲除菌株W50’-EAB最大比生长速率提高到0.040 h-1,PHB含量提高到19.8±1.05%。结果显示转醛酶基因的过表达与醛还原酶基因的敲除对木糖利用均表现出一定的优势,将这两种优势组合获得菌株W50’-TAB,摇瓶发酵分析结果为最大比生长速率达到0.042 h-1,PHB积累达到27.9±0.47%,相比于对照菌株提高了72.2%。另外,在含有葡萄糖(0.01 mol/L)和木糖(0.09 mol/L)的混合糖培养下,重组菌株W50-TAB,W50’-EAB和W50’-TAB相比于在纯木糖培养下都表现出更高的生物量和胞内PHB积累量。【结论】磷酸戊糖途径关键酶转醛酶基因的过表达加速了木糖代谢流,从而可以高效利用木糖积累一定量的PHB。醛还原酶对木糖代谢有阻碍作用,敲除该酶基因后木糖代谢能力有了一定的提高,而两者协同作用可以进一步提高重组菌株的木糖利用效率和PHB积累能力。     

休哈塔假丝酵母转化木糖和葡萄糖为乙醇的发酵转录谱

[目的]探究木糖发酵典型菌株休哈塔假丝酵母在己糖和戊糖发酵中的转录谱及差异,筛选出与木糖利用和乙醇发酵代谢途径及调控相关的关键性酶和功能蛋白质基因.[方法]应用新一代高通量测序技术454 GS FLX Titanium分别构建了休哈塔假丝酵母木糖、葡萄糖发酵的cDNA文库,并进行De novo转录组的表达序列标签大规模测序和序列比较分析,进而挖掘出该酵母中参与木糖代谢和乙醇发酵的相关基因.[结果]分别对木糖和葡萄糖发酵样本进行二分之一RUN测序并各自得到60万条reads,序列平均长度400 bp.共拼接得到7250条(木糖)和7168条(葡萄糖)contigs,并利用BLAST对木糖样品和葡萄糖样品中的2421个基因(contig)和2456个基因(contig)进行了功能注释和GO分类.通过两个文库间的序列对比分析,共发现158个基因属于差异表达状态(P＜0.05).基于经典的糖酵解及乙醇发酵途径筛选出与木糖乙醇发酵相关的候选基因,并且比较分析其转录水平的差异.[结论]基于大规模转录谱测序和比较分析首次筛选出休哈塔假丝酵母中参与木糖代谢和乙醇发酵的基因群,可为后续的分子生物学及代谢调控研究提供基础数据.     

理性设计和构建过量合成莽草酸的大肠杆菌代谢工程菌

利用代谢工程手段理性改造野生大肠杆菌的莽草酸(Shikimic acid,SA)合成途径及相关代谢节点,以构建高产莽草酸的工程菌株.根据细胞代谢网络分析,利用Red-Xer重组系统连续删除了野生型大肠杆菌CICIMB0013的莽草酸激酶基因(aroL、aroK),葡萄糖磷酸转移酶系统(PTS)的关键组分EIICBglc的编码基因(ptsG)以及奎宁酸/莽草酸脱氢酶基因(ydiB)并系统评价了基因删除对细胞的生长、葡萄糖代谢和莽草酸积累的影响.aroL、aroK的删除阻断了莽草酸进一步转化成为莽草酸-3-磷酸,初步提高莽草酸的累积.删除ptsG基因使大肠杆菌PTS系统部分缺失,细胞通过GalP-glk(半乳糖透性酶-葡萄糖激酶)途径,利用ATP将葡萄糖磷酸化后进入细胞.利用该途径运输葡萄糖能够减少PEP的消耗,使得更多的碳代谢流进入莽草酸合成途径,从而显著提高了莽草酸的产量.在此基础上删除ydiB基因,阻止了莽草酸合成的前体物质3-脱氢奎宁酸转化为副产物奎宁酸(Quinic acid,QA),进一步提高了莽草酸的累积.初步发酵显示4个基因缺失的大肠杆菌代谢工程菌生产莽草酸的能力比原始菌提高了90多倍.     

基于转录组测序数据对Weissella confusa XU1中低聚木糖代谢系统的分析（英文）

【目的】近年来由于在发酵方面的良好特性,低聚木糖的益生作用越来越得到公众的关注。研究发现相比于葡萄糖和木糖WeissellaconfusaXU1在以低聚木糖为唯一碳源时生长情况最好。本文将对WeissellaconfusaXU1中低聚木糖的代谢机制进行研究。【方法】本研究分别以葡萄糖、木糖和低聚木糖作为唯一碳源对Weissella confusa XU1进行转录组测序并进行比较分析。【结果】通过转录组分析发现以低聚木糖为唯一碳源的处理中部分编码MFS转运蛋白和糖基水解酶的基因转录水平显著上升,WeissellaconfusaXU1中的糖酵解过程和磷酸戊糖途径也得到显著增强。【结论】本研究根据转录组数据分析得出Weissella confusa XU1中的低聚木糖代谢机制。本研究首次在革兰氏阳性菌中发现MFS转运蛋白参与到低聚木糖转运的过程,为提高微生物对木聚糖利用效率进行分子改造提供了改造方向,该机制为低聚木糖代谢的研究和Weissella的工业化应用提供了新的思路。     

大肠杆菌酪氨酸转运系统基因敲除对酪氨酸生产的影响

酪氨酸是三大芳香族氨基酸之一,广泛用于食品、医药和化工等领域。转运系统工程为代谢工程改造大肠杆菌选育酪氨酸生产菌株提供了一种重要的研究策略。大肠杆菌中酪氨酸胞内转运主要通过aroP和tyrP基因编码的通透酶进行调控。以酪氨酸生产菌株HGXP为出发菌株,利用CRISPR-Cas9技术成功构建了aroP和tyrP基因敲除菌,并通过发酵试验考察了调节转运系统对酪氨酸生产的影响。发酵结果表明,aroP和tyrP基因敲除菌酪氨酸产量分别达到3.74 g/L和3.45 g/L,较出发菌株酪氨酸产量分别提高了19%和10%。对诱导温度进行了优化,结果表明38℃为最佳诱导温度。在3 L发酵罐上进行了补料分批发酵,aroP和tyrP基因敲除菌酪氨酸产量进一步提高至44.5 g/L和35.1 g/L,较出发菌株酪氨酸产量分别提高了57%和24%。研究结果对代谢工程强化大肠杆菌生产酪氨酸具有重要的参考价值。     

敲除MIG1和SNF1基因对酿酒酵母共利用葡萄糖和木糖的影响

Mig1和Snf1是酿酒酵母葡萄糖阻遏效应的两个关键调控因子。为了提高酿酒酵母工程菌同时利用葡萄糖和木糖的能力,分别对MIG1和SNF1基因进行了单敲除和双敲除,并通过摇瓶发酵实验和RNA-Seq转录组分析,初步揭示了Mig1和Snf1可能影响葡萄糖和木糖共利用表达差异基因的层级调控机制。研究结果表明,MIG1单敲除对混合糖的共利用影响不大;SNF1单敲除会加快混合糖中木糖的利用而且葡萄糖和木糖可以被同时利用,这可能归因于SNF1单敲除会解除对一些氮分解代谢阻遏基因表达的抑制,从而促进了细胞对氮源营养的利用;进一步敲除MIG1,会解除更多氮分解代谢阻遏基因表达的抑制,以及一些碳中心代谢途径基因表达上调。虽然MIG1和SNF1双敲除菌株利用葡萄糖加快而利用木糖变慢,但是葡萄糖和木糖可以被同时利用,进而加快乙醇的积累。综上所述,MIG1和SNF1的敲除导致氮分解阻遏基因表达上调,有助于促进葡萄糖和木糖的共利用;解析Mig1和Snf1对氮分解阻遏基因的层级调控作用,为进一步提高葡萄糖和木糖的共利用提供新的靶点。     

混合糖发酵重组酿酒酵母的菌株构建和菊芋秸秆同步糖化发酵研究

【目的】构建可用于纤维素乙醇高效生产的混合糖发酵重组酿酒酵母菌株,并利用菊芋秸秆为原料进行乙醇发酵。【方法】筛选在木糖中生长较好的酿酒酵母YB-2625作为宿主菌,构建木糖共代谢菌株YB-2625 CCX。进一步通过r DNA位点多拷贝整合的方式,以YB-2625 CCX为出发菌株构建木糖脱氢酶过表达菌株,并筛选得到优势菌株YB-73。采用同步糖化发酵策略研究YB-73的菊芋秸秆发酵性能。【结果】YB-73菌株以90 g/L葡萄糖和30 g/L木糖为碳源进行混合糖发酵,乙醇产量比出发菌株YB-2625 CCX提高了13.9%,副产物木糖醇产率由0.89 g/g降低至0.31 g/g,下降了64.6%。利用重组菌YB-73对菊芋秸秆进行同步糖化发酵,48 h最高乙醇浓度达到6.10%(体积比)。【结论】通过转入木糖代谢途径以及r DNA位点多拷贝整合过表达木糖脱氢酶基因可有效提高菌株木糖发酵性能,并用于菊芋秸秆的纤维素乙醇生产。这是首次报道利用重组酿酒酵母进行菊芋秸秆原料的纤维素乙醇发酵。