L-精氨酸生物合成的代谢流量分析

建立并完善了谷氨酸棒杆菌GWY020及其2个逐步叠加不同遗传标记的突变株HUI821和GUI089合成L-精氨酸的中心代谢网络。分别测定了它们在特定培养时段(50 h~52 h)L-精氨酸等代谢物的胞外浓度, 由此计算这一时段这些代谢物在发酵液中积累(或消耗)的速率, 分别作出这3株菌在拟稳态下的代谢流量分布图, 进而研究育种过程中不同遗传标记的叠加对代谢网络中L-精氨酸合成流量分布的影响。结果表明遗传标记的引入使流量分配发生了重大变化, 节点处的流量分配朝着有利于L-精氨酸合成的方向改变。从代谢流量分析角度上, 证明结构类似物抗性和敏感性突变是代谢流导向和设计育种的有效手段, 代谢流量分析将成为设计育种的提供新思路。     

L-缬氨酸合成的代谢流量分析

分别测定谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）AS1-495及其3个逐个叠加不同遗传标记的突变株AA361、AAT231和AATV341在特定培养时段（26～28h）L缬氨酸等代谢物的胞外浓度,由此计算这一时段这些代谢物在发酵液中积累（或消耗）的速率,分别做出这4株菌在拟稳态下的代谢流量分布图,进而研究育种过程中不同遗传标记的叠加对代谢网络中L-缬氨酸合成流量分布的影响。结果表明遗传标记的引入使流量分配发生了重大变化,节点处的流量分配朝着有利于L缬氨酸合成的方向改变。6-磷酸葡萄糖节点处流入EMP途径和HMP途径的流量分配由17.0∶83.0变为24.3∶75.7;丙酮酸节点处流入L-缬氨酸合成途径和其他途径的流量分配由15.8∶842变为76.7∶23.3/L-缬氨酸合成的分支途径上的流量由最初的5.37增大为37.3,乳酸合成途径的流量从11.1最后降为1.16,L-缬氨酸产量由4g/L提高到24.5 g/L。代谢流量分布的变化趋势与L缬氨酸产量的变化趋势是互相吻合的。以2-噻唑丙氨酸抗性突变（2TAr）和L天冬氨酸氧肟酸盐超敏性突变（LAAHss）有效地进行代谢流遗传导向的事实,在代谢流量分析的层面上,证明结构类似物抗性突变和结构类似物超敏性突变是代谢流导向和设计育种的十分有效的手段,代谢流量分析会成为设计育种的校正方法。     

L-精氨酸产生菌诱变育种的研究

以谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutam icum)ATCC138761为诱变出发菌株,经紫外线(UV)和亚硝基胍(NTG)逐级诱变处理和选育,获得一株能够积累L-精氨酸的菌株UN100-12(SGr,AEr)。在以葡萄糖为碳源、以硫酸铵为氮源的培养基中直接发酵4d,产酸可达16.6 g/L,并具有较好的遗传稳定性。     

L-精氨酸高产菌株的选育

以谷氨酸高产菌种LH谷氨酸棒杆菌为出发菌株,用化学试剂亚硝基胍(NTG)诱变,经结构类似物磺胺胍和摇瓶产酸筛选,获得一株产L-精氨酸的菌株LH425,在摇瓶发酵中,培养96h,产酸率38g·L-1。     

L-色氨酸生物合成的代谢流量分析

建立了谷氨酸棒杆菌合成L-色氨酸(L-Try)的代谢流量平衡模型,应用该模型计算出发酵中后期的代谢流分布并通过MATLAB软件线性规划得到Try理想代谢流分布。结果表明75．15％的碳架进入糖酵解,24．85％的碳架进入HMP途径;但与理想代谢流相比,应从遗传改造和发酵控制方面降低TCA循环的代谢流,减少副产氨基酸的生成,摸索最适的溶氧控制对提高Try产率至关重要。     

L-精氨酸高产菌的选育及基于代谢流量分布的育种机制

从分析钝齿棒杆菌(Corynebacterium crenatum)的精氨酸合成途径入手,提出了一种通过选育脯氨酸结构类似物抗性突变株以提高其精氨酸合成能力的育种思路。采用亚硝基胍(NTG)诱变处理出发菌株YD8(His-,SGr1.2 mg/mL,D-Argr15 mg/mL),经含15 mg/mL的脯氨酸结构类似物S-甲基半胱氨酸(S-MC)的抗性筛选获得精氨酸高产突变株YDM403(His-,SGr1.2 mg/mL,D-Argr15 mg/mL,S-MCr15 mg/mL),产酸水平可达29.4 g/L,较出发菌株YD8的产酸高出55.0%。通过代谢流量分布分析了菌株YD8和YDM403代谢网络的变化,结果表明,菌株YD8可能存在顺序反馈抑制作用,出发株YD8解除了Arg对Glu到Arg的反馈抑制,而YDM403又解除了Pro对Glu到Pro的反馈抑制,从而使中间物Glu累积量下降而对-αKG到Glu不再有反馈抑制,其通量提高,与此同时从Glu向Arg的代谢通量也相应增加。     

L-谷氨酰胺产生菌的选育和代谢流量分析

目的:建立并完善嗜乙酰乙酸棒杆菌YL012及其突变株LCHA0082合成L-谷氨酰胺的中心代谢网络.方法:分别测定了它们在特定培养时段(48h～50h)L-谷氨酰胺等代谢物的胞外浓度,由此计算这一时段这些代谢物在发酵液中积累(或消耗)的速率,分别作出这两株菌在拟稳态下的代谢流量分布图,进而研究诱变育种过程中不同诱变标记对代谢网络中L-谷氨酰胺合成流量分布的影响.结果:育种操作使流量分配朝着有利于L-谷氨酰胺合成的方向改变,流入谷氨酸节点的流量由29.198mmol/L·h上升到44.854mmol/L·h,提高到原来的1.5倍左右,合成L-谷氨酰胺的流量由18.138mmol/L·h上升至31.065mmol/L·h,效果明显.结论:从代谢流量分析角度上,证明诱变育种对代谢流量的改变起到明显的作用,代谢流量分析也为新的设计育种提供了思路.     

谷氨酸棒杆菌TL1105的L-组氨酸生物合成途径分析

目的：对谷氨酸棒杆菌TL1105由葡萄糖生物合成L-组氨酸的代谢途径进行分析,以确定L-组氨酸合成的最佳途径和最大理论产率。方法：运用METATOOL软件对谷氨酸棒杆菌TL1105合成L-组氨酸进行途径分析。结果：确定了L-组氨酸合成的最佳途径,并确定最大理论产率为1．2;通过比较途径分析所获得的基础反应模型,确定了5-磷酸核糖焦磷酸是L-组氨酸合成途径的关键节点,并且确定了谷氨酸的大量合成是L-组氨酸合成的重要前提;添加谷氨酸,L-组氨酸的产量提高了39．2％。结论：以途径分析为指导,改变外界环境因子,L-组氨酸的产量得到显著的提高。     

L-缬氨酸产生菌的选育及其代谢流分析

以谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)AS1.495(Leu^-)为出发菌株,通过多次亚硝基胍(NTG)诱变,给AS1．495(Leu^-)依次叠加L-AAH^as,2-TA^r,Vd^-的遗传标记,得到突变株AATV341(Leu^-,L-AAH^as,2-TA^r,Vd^-),可在8％的葡萄糖培养基积累L-缬氨酸24．5g／L,比出发菌株提高了5．13倍。同时运用代谢流量分析理论,测定出发菌株AS1．495及其突变株AATV341在L-缬氨酸合成阶段的代谢流量,并初步进行比较和分析,发现遗传标记的引入使流量分配发生了重大变化,流量分配朝着有利于L-缬氨酸合成的方向改变。     

谷氨酸棒杆菌SYPS-062合成L-丝氨酸的代谢通量分析

以一株由自然界筛选获得的能够利用糖质原料直接产L-丝氨酸的谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum SYPS-062为研究对象,考察了一碳单元循环中的辅因子—叶酸和维生素B12对菌株生长、蔗糖消耗及L-丝氨酸生成的影响,同时对处于对数生长期的菌株进行了代谢流量分析。结果发现,添加扰动因子叶酸和维生素B12对磷酸戊糖途径(HMP)碳流影响较大,碳源主要用于细胞生长及合成能量,而流向目的产物L-丝氨酸的碳流减少。同时在添加维生素B12时,增大了G3P节点的L-丝氨酸合成途径的分流比,但造成三羧酸循环(TCA)的流量不足,需要大量回补,从而限制了产物合成速率的进一步提高。     

溶氧量与谷氨酸棒杆菌代谢

正自从1957年Kinoshita等首次描述谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)为谷氨酸产生菌[1]以来,其已成为用于氨基酸生产的主要菌株。目前,全世界每年利用谷氨酸棒杆菌生产约100万t L-谷氨酸用于食品调味剂和约45万t L-赖氨酸用作食品添加剂[2]。通过谷氨酸棒状杆菌发酵获得谷氨酸的发酵水平已较高,通过进一步优化工艺来提高产量具有较大困难[3]。     

Metabolic design in amino acid producing bacterium Corynebacterium glutamicum

The Gram-positive bacterium Corynebacterium glutamicum is used for the industrial production of amino acids, e.g. of l-glutamate and l-lysine. In the last 10 years, genetic engineering and amplification of relevant structural genes have become fascinating methods for the construction of strains with desired genotypes. By cloning and expressing the various genes of the l-lysine pathway in C. glutamicum we could demonstrate that an increase of the flux of l-aspartate semialdehyde to l-lysine could be obtained in strains with increased dehydrodipicolinate synthase activity. By combined overexpression of deregulated aspartate kinase and dihydrodipicolinate synthase, the l-lysine secretion could be increased (10–20%). Recently we detected that in C. glutamicum two pathways exist for the synthesis of dl-diaminopimelate and l-lysine. Mutants defective in one pathway are still able to synthesize enough l-lysine for growth, but the l-lysine secretion is reduced to 50–70%. Using NMR spectroscopy, we could calculate how much of the l-lysine secreted into the medium is synthesized via each pathway. Amplification of the feedback inhibition-insensitive homoserine dehydrogenase and homoserine kinase in a high l-lysine overproducing strain enabled channelling of the carbon flow from the intermediate aspartate semialdehyde towards homoserine, resulting in a high accumulation of l-threonine. For a further flux from l-threonine to l-isoleucine the allosteric control of threonine dehydratase must be eliminated. In addition to all steps considered so far to be important for amino acid overproduction, the secretion into the culture medium also has to be noted. Recently it could be demonstrated that l-glutamate, l-lysine and l-isoleucine are not secreted via passive diffusion but via specific active carrier systems. Analysis of lysine-overproducing C. glutamicum strains indicates that this secretion carrier has a strong influence on the overproduction of this amino acid. Thus, for the construction of strong amino acid overproducing strains by using the gene cloning techniques, the overexpression of the genes for the export systems also seems necessary.     

Metabolic Engineering of Corynebacterium glutamicum for Cadaverine Fermentation

Cadaverine, the expected raw material of polyamides, is produced by decarboxylation of L-lysine. If we could produce cadaverine from the cheapest sugar, and as a renewable resource, it would be an effective solution against global warming, but there has been no attempt to produce cadaverine from glucose by fermentation. We focused on Corynebacterium glutamicum, whose L-lysine fermentation ability is superior, and constructed a metabolically engineered C. glutamicum in which the L-homoserine dehydrogenase gene (hom) was replaced by the L-lysine decarboxylase gene (cadA) of Escherichia coli. In this recombinant strain, cadaverine was produced at a concentration of 2.6 g/l, equivalent to up to 9.1% (molecular yield) of the glucose transformed into cadaverine in neutralizing cultivation. This is the first report of cadaverine fermentation by C. glutamicum.     

维生素对谷氨酸棒杆菌SYPS-062直接发酵合成L-丝氨酸的影响

研究了VB1,生物素,VB6,VB2,叶酸和VB12对一株谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）SYPS-062直接利用糖质原料发酵生产L-丝氨酸的影响,并且初步分析了这几种维生素对菌株SYPS-062发酵积累L-丝氨酸的调控机制。添加一定量的生物素,VB1和VB6表现出对L-丝氨酸积累分别为35%,28%和11%的促进;添加VB2实现了L-丝氨酸和生物量的等幅提高;而叶酸和VB12则通过促进菌株SYPS-062中1C单元循环的效率使L-丝氨酸的积累量分别提高了39%和82%,并且实现了产物转化率（YP/S）及单位细胞产率（YP/X）的显著提高。将六种维生素在其分别的最优浓度下复配,添加在发酵培养基中,结果发现发酵周期有6 h左右的缩短,并且达到的最大生物量及L-丝氨酸的积累分别为11 g/L和9.0 g/L。