利用五碳糖产高纯度L-乳酸的大肠杆菌基因工程菌的构建

[目的]本研究以已敲除多个产杂酸酶基因的大肠杆菌(Escherichia coli)乙醇工程菌SZ470(△frdBC △ldhA △ackA △focA-pflB △pdhR::pflBp6-pflBrbs-aceEF-lpd)为起始菌株,进一步敲除其乙醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase,ADH)基因,同时插入带有自身启动子的乳酸片球菌(Pediococcus acidilactici)的L-乳酸脱氢酶(L-lactate dehydrogenase,LLDH)基因,构建可利用五碳糖同型发酵L-乳酸重组大肠杆菌.[方法]利用λ噬菌体Red重组系统构建乙醇脱氢酶基因(adhE)缺失菌株Escherichia coli JH01,并克隆P.acidilactici的ldhL基因,利用染色体插入技术将其整合到JH01基因组,构建产L-乳酸大肠杆菌基因工程菌Escherichia coli JH12,利用无氧发酵15 L发酵罐测定重组菌株L-乳酸产量.[结果]工程菌JH12在15 L发酵罐中以6％的葡萄糖为碳源进行发酵,发酵到36 h的过程中葡萄糖的消耗速率为1.46 g/(L·h),乳酸生产强度为1.14 g/(L·h),乳酸的产量达到41.13 g/L.发酵产物中未检测到琥珀酸、甲酸的生成,仅有少量乙酸生成,L-乳酸纯度达95.69％(L-乳酸在总发酵产物的比率).工程菌JH12以6％的木糖为碳源进行发酵,发酵到36 h的过程中葡萄糖的消耗速率为0.88 g/(L·h),乳酸生产强度为0.60 g/(L·h),乳酸的产量达到34.73 g/L.发酵产物中杂酸少,乳酸的纯度高达98％.[结论]本研究通过基因敲除、染色体插入及无氧进化筛选获得一株产L-乳酸的大肠杆菌工程菌JH12,该菌株不需利用外源质粒,稳定性好,可利用五碳糖进行发酵,发酵产物中杂酸少,L-乳酸的纯度高.本研究为L-乳酸大肠杆菌工程菌的构建提供一定的技术支持,同时也为大肠杆菌L-乳酸的工业化生产提供了参考依据.     

木糖发酵生产高纯度D-乳酸大肠杆菌工程菌LHY02的构建

高效利用木糖发酵生产D-乳酸或其他生物质产品,是充分利用木质纤维素的一个关键问题。以高效利用木糖产L-乳酸的Escherichia coli WL204为出发菌株,采用RED基因置换技术将ldhL基因置换为ldhA基因,获得一株能利用木糖产D-乳酸的大肠杆菌工程菌株Escherichia coli LHY02,该菌株利用10%木糖发酵,D-乳酸产量达到84.4 g/L,产物光学纯度达到99.5%。此外,该菌株仍然具有较好的利用葡萄糖产D-乳酸的能力。     

重组大肠杆菌利用木糖发酵产高纯度L-乳酸

对重组大肠杆菌JH16利用木糖产高纯度的三一乳酸进行研究。通过无氧管驯化EscherwhiacdiJH12菌株得到E．coliJH16,驯化后的菌株茵体浓度提高了31％,乙酸积累减少了43％;在摇瓶中考察不同Mg2＋浓度对EcoliJHl6产三一乳酸的影响,确定最适Mg2＋质量浓度为0．25g/L;EcoEJH16以60g/L木糖为C源,在7L全自动发酵罐中添加0．25g／LMg2＋,乳酸积累量提高了18％,达38．18g/L,乳酸纯度高达95％;E．coliJH16在30g／L木糖和30g／L葡萄糖混合C源中,优先利用葡萄糖,当葡萄糖质量浓度低于1．56g/L后,菌体开始利用木糖进行乳酸发酵,最终得到39g／L乳酸。     

重组大肠杆菌利用废纸水解液发酵产L-乳酸

前期通过基因工程手段,构建了一株大肠杆菌工程菌E.coli WL204,该菌株可以有效利用木糖为底物发酵产L-乳酸。以废纸为发酵原料,研究该菌株利用木质纤维素发酵产乳酸的特性。原料以稀硫酸预处理后,经纤维素酶酶解,得到的水解液用Ca(OH)2脱毒后,接种E.coli WL204,在7L发酵罐中发酵72h,每100g废纸可以产生31g乳酸,糖酸转化率为79%。结果表明,E.coli WL204可以木质纤维素原料为底物发酵生产L-乳酸,具有一定的工业化开发潜力。     

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.     

产L-苹果酸重组大肠杆菌的构建

基于产琥珀酸重组大肠杆菌E.coli B0013-1050的琥珀酸合成途径,利用Red同源重组技术结合Xer/dif重组系统敲除富马酸酶基因fumB、fumC,苹果酸酶基因maeB,构建L-苹果酸合成途径,最终得到重组大肠杆菌E.coli2030,该菌株在15 L发酵罐中,产L-苹果酸12.5 g/L,葡萄糖-苹果酸转化率为52.1%,同时对发酵产物中主要杂酸丙酮酸和琥珀酸的生产原因进行了初步的探讨与分析。为进一步提高L-苹果酸的转化率,整合表达来源于黄曲霉的苹果酸脱氢酶基因,构建重组菌E.coli 2040,在15 L发酵罐中产L-苹果酸14 g/L,葡萄糖-苹果酸转化率提高到60.3%。     

罗氏真养菌W50的D-木糖代谢途径工程改造

【目的】拓宽高产聚-β-羟基丁酸酯(poly-β-hydroxybutyrate,PHB)罗氏真养菌(Ralstonia eutropha)W50的碳源使用范围,使其获得D-木糖代谢能力。【方法】运用PCR技术扩增大肠杆菌(Escherichia coli)K-12W3110来源的D-木糖转运蛋白基因xylE,利用同源重组技术将xylE基因整合到R.eutropha W50的染色体上构建菌株W50-E。运用PCR技术扩增E.coli K-12 W3110来源的D-木糖代谢基因xylAB和R.eutropha H16来源的PHA合酶基因phaC1的启动子片段P pha C1,同表达载体连接后构建重组质粒p1-AB。将重组质粒分别转入菌株R.eutropha W50和W50-E中构建工程菌株W50-AB和W50-EAB。通过摇瓶发酵研究W50-AB和W50-EAB的D-木糖代谢特性。【结果】酶活分析结果表明,xylA和xylB基因在菌株R.eutropha W50中得到表达。摇瓶发酵结果表明,W50-AB在含0.1 mol/L D-木糖的基础发酵培养基中的最大比生长速率为0.025 h-1,在含0.01 mol/L D-木糖的基础发酵培养基中没有生长;W50-EAB在含0.01 mol/L D-木糖的基础发酵培养基中表现出一定生长,在含0.1 mol/L D-木糖的基础发酵培养基中最大比生长速率为0.035 h-1。PHB含量分析结果表明,摇瓶发酵终点时,W50-AB和W50-EAB菌株内的PHB含量分别为细胞干重的15.07±1.01%和15.07±1.64%,其相应的D-木糖-PHB转化率分别为0.0920 g·g-1和0.0838 g·g-1,低于两重组菌株利用葡萄糖发酵的糖-PHB转化率(0.22 g·g-1)。另外,重组菌株W50-AB和W50-EAB在含葡萄糖(0.01 mol/L)和D-木糖(0.09 mol/L)的混合糖培养基中的发酵结果表明,两重组菌株均表现出更高的生长速率和D-木糖消耗速率以及胞内PHB积累量。【结论】来源于E.coli K-12W3110菌株的xylAB基因的表达使R.eutropha W50获得了一定的D-木糖代谢能力,通过D-木糖转运蛋白基因xylE的表达能提高菌株的D-木糖代谢能力,同时重组菌株利用D-木糖能积累一定量PHB。     

乳酸片球菌L-乳酸脱氢酶基因的克隆及在重组大肠杆菌JH12中的过量表达

以工程菌Escherichia coli SZ85基因组为模板,克隆得到乳酸片球菌(Pediococcus acidilactici)的L-乳酸脱氢酶基因(ldhL),连接到pUcm-T载体后,双酶切然后将其连接到表达载体pET-28a上,重组质粒经筛选后转入染色体上含有ldhL基因(来源P.acidilactici)的工程菌Escherichia coli JH12。P.acidilactici的ldhL基因过量表达体系E.coli JH12(pET-28a-ldhL)能利用浓度7%的木糖为碳源进行厌氧发酵,过量表达ldhL使L-乳酸产量提高了10 g/L,达64.86 g/L,糖酸转化率高达96%。     

大肠杆菌利用木糖发酵产琥珀酸的研究

目的:研究大肠杆菌以木糖为碳源发酵产琥珀酸。方法:首先比较了实验室保藏的7种野生型大肠杆菌利用木糖发酵产琥珀酸的产量和得率,结果:表明野生型菌株琥珀酸对木糖的得率集中在0.34g/g~0.53g/g之间,得率较低,副产物主要为乳酸、乙酸。然后选取其中2株菌(E.coli MG1655与E.coli C-1)进行基因敲除,构建了ldhA和pflB双基因缺失的MLB和CLB菌株,以减少副产物的积累。两阶段摇瓶发酵结果表明,琥珀酸得率从0.40g/g分别提高到了0.89g/g及0.90g/g,而产量分别从4.92g/L、5.58g/L提高到11.52g/L、11.81g/L。结论:通过基因敲除后,大肠杆菌能够利用木糖发酵产琥珀酸,琥珀酸得率可以达到0.90g/g。     

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%.     

利用农业废弃物发酵生产D-乳酸

利用农业废弃物玉米芯酶解液替代葡萄糖作为碳源,棉籽粕替代酵母膏作为氮源发酵生产D-乳酸。结果表明:在初始还原糖质量浓度为100 g/L(葡萄糖88.5 g/L,木糖11.5 g/L)、棉籽粕3.5 g/L、每升发酵体积添加3 U的中性蛋白酶以及pH 6.5的情况下,采取补料发酵措施,菌株Sporolactobacillus sp.YBS1-5在90 h内产生了111.8 g/L的D-乳酸,糖酸转化率为87%,光学纯度达98%以上,生产强度达1.24 g/(L·h)。本文提供了一种利用农业废弃物发酵产D-乳酸的新途径。     

代谢改造克雷伯氏菌合成D-1,2,4-丁三醇

【背景】D-1,2,4-丁三醇(D-1,2,4-butanetriol,BT)是一种重要的四碳多元醇,应用范围广,以木糖为底物的四步生化反应是目前最高效的BT生物合成路线。但大肠杆菌宿主存在严重的碳代谢抑制,限制了工程菌在木糖葡萄糖混合糖下的生长和BT合成。然而克雷伯氏菌具有生长速度更快、葡萄糖木糖混合糖利用效果好等优点。【目的】在碳代谢抑制效应较弱的克雷伯氏菌中构建以木糖为底物的BT合成途径,以提高混合糖下BT合成能力。【方法】将来源于Clostridium crescenti的木糖脱氢酶基因xdh和来源于Lactococcus lactis的2-酮异戊酸脱羧酶基因kivD及来源于Escherichia coli W3110的木糖酸脱水酶基因yjhG克隆至KlebsiellapneumoniaeZG25,得到重组菌K.pneumoniae ZG25-BT,对重组菌进行培养条件和培养基优化,进一步敲除xylA以提高BT产量。【结果】在37°C、200 r/min、接种量1%、诱导时间2 h、添加10.0 g/L CaCO3控制pH条件下,敲除xylA的重组菌在1.5倍LB培养基中以30.0 g/L木糖和10.0 g/L葡萄糖为底物,BT的产量达到4.52 g/L,摩尔转化率为0.21mol/mol,收率为15%,较优化前分别提高150%、62%和67%。【结论】实现了BT在K.pneumoniaeZG25中的发酵生产,同时通过培养条件和培养基的优化及xylA的敲除提高了BT合成能力,为进一步实验奠定了基础。     

spt15突变基因对酿酒酵母木糖利用的影响

利用基因工程手段得到重组菌YPH499-3中的spt15有效突变基因,通过表达载体pYX212转化入酿酒酵母原始菌株YPH499中,重新获得酿酒酵母重组菌株。对其性状进行研究,结果表明该菌株能有效利用木糖并共发酵木糖和葡萄糖。在30oC、200r/min,发酵72h时,50g/L木糖的利用率为82.0%,乙醇产率为28.4%;当木糖和葡萄糖以质量比1:1混合发酵时,木糖和葡萄糖的利用率分别为80.4%和100%,乙醇产率为31.4%;同时发现木糖醇的含量极低。从而验证了有效突变基因spt15-10对酿酒酵母共发酵木糖和葡萄糖产酒精的影响。     

大肠杆菌乙醇工程菌mglB基因的敲除对混合糖发酵木糖利用效率的影响

为明晰葡萄糖非PTS转运系统相关基因对木糖利用效率的影响,探讨葡萄糖PTS和非PTS转运系统是否对木糖利用存在协同影响,以大肠杆菌工程菌SZ470和SZ470P为出发菌株,通过RED同源重组技术敲除葡萄糖转运基因mglB,构建mglB单缺陷菌SZ470M和ptsG/mglB双缺陷菌SZ470PM。比较四株菌的混合糖(3%葡萄糖+2%木糖)发酵情况以及木糖转运代谢相关基因的转录水平。实验结果表明,SZ470M相较于出发菌株SZ470,其发酵性能无明显变化;SZ470PM的木糖消耗速度为0.37 g/L,乙醇产量为23.25 g/L,转化率为82.6%,相比于出发菌株SZ470P分别提高了32%,9.8%和5.8%。基因转录水平的分析也表明菌株SZ470P和SZ470PM的木糖转运与代谢基因的转录水平上调。综上,ptsG和mglB基因的双敲除对木糖利用效率的提高有协同影响,为促进木质纤维素作为发酵原料时木糖的高效利用提供理论依据。     

大肠杆菌琥珀酸和乙酸合成途径的删除及其重组菌株的D-乳酸发酵

菌株CICIM B0013-030 (B0013,ack-pta,pps,pflB) 可积累D-乳酸作为主要发酵产物,然而副产物琥珀酸和乙酸的含量分别高达乳酸的11.9％和7.1％。为构建副产物含量低的产D-乳酸重组大肠杆菌菌株,本研究删除了菌株B0013-030的琥珀酸 (frdA) 和乙酸 (tdcDE) 合成途径,并考察了重组菌株在摇瓶和发酵罐中经两阶段发酵 (好氧生长菌体和厌氧发酵产酸) 利用葡萄糖发酵D-乳酸的性能。结果表明,分别构建含有frdA::difGm和tdcDE::difGm突变盒的重组质粒,并利用Red重组系统将突变盒整合于染色体上的目的基因,再利用Xer重组系统去除抗生素抗性基因,依次获得了重组菌株B0013-040B (B0013-030,frdA) 和B0013-050B (B0013-040B,tdcDE)。摇瓶发酵结果表明,frdA基因的删除使得菌株B0013-040B副产物琥珀酸的含量降低了80.8％;在7 L发酵罐中进行乳酸发酵,菌株B0013-040B的D-乳酸产量达114.5 g/L,光学纯度大于99.9％,但仍积累1.0 g/L琥珀酸和5.4 g/L乙酸。进一步删除了tdcD和tdcE基因的菌株B0013-050B,在7 L发酵罐中生产111.9 g/L D-乳酸,乙酸和琥珀酸的合成量分别降低为0.4 g/L,其他副产物含量也维持较低水平,表明该菌株具有较优良的D-乳酸发酵性能。     

代谢木糖重组谷氨酸棒杆菌的构建

为了使谷氨酸棒杆菌较好地利用木糖生产有机酸,将来自Escherichia coli K-12的木糖异构酶基因xylA构建到表达载体pXMJ19中,导入Corynebacterium glutamicum ATCC13032Δldh中,成功表达了该酶基因。结果表明:重组菌株在以木糖为唯一C源进行发酵时,木糖的消耗速率为0.54 g/(L·h),木糖异构酶比酶活约为0.54 U/mL;在以木糖和葡萄糖的混合糖为C源进行发酵时,菌株优先利用葡萄糖,在葡萄糖完全消耗后,菌株开始有效利用木糖;以木糖为唯一C源进行两阶段发酵时,琥珀酸的收率可达(0.62±0.003)g/g。     

酿酒酵母产D-乳酸重组菌的构建与发酵

采用基因工程方法对酿酒酵母进行代谢改造,使酵母产生乳酸代谢途径。将来源于L.mesenteroides和E.coli的D-乳酸脱氢酶基因,分别插入带有G418抗性的酵母穿梭质粒p YX212-kan MX上,电转化酵母,得到2株生产D-乳酸的酿酒酵母重组菌S.cerevisiae WE1510和S.cerevisiae WB1186。进一步摇瓶发酵试验表明:重组菌S.cerevisiae WB1186在YEPD培养基、20 g/L糖、p H 5的条件下生长条件最好,并具有更好的产乳酸能力。经3 L发酵罐条件下验证,S.cerevisiae WB1186分批发酵96 h,最终乳酸积累量达到18.0 g/L;发酵条件为培养基YEPD,接种量10%,溶解氧(DO)30%,转速150 r/min,初始葡萄糖质量浓度10 g/L,控制pH 5.0,通气量3 L/min,OD600最大值转为厌氧发酵。     

gTME构建共发酵木糖和葡萄糖的重组酿酒酵母

利用全转录工程（gTME）方法将全局转录因子spt15随机突变并克隆表达, 构建突变库。将突变基因连接到表达载体 pYX212上, 醋酸锂法转化入不利用木糖的酿酒酵母YPH499中, 经特定的培养基初筛获得高效利用木糖并共发酵木糖和葡萄糖的酿酒酵母重组菌株。对获得的重组菌株进行了初步研究, 该菌株能够很好的利用木糖并共发酵木糖和葡萄糖。在30oC, 200 r/min, 发酵96 h时, 50 g/L木糖和葡萄糖的利用率为94.0%和98.9%, 乙醇产率为32.4%和31.6%, 原始菌株乙醇产率为44.3%; 当木糖和葡萄糖以质量比1:1混合发酵时, 木糖和葡萄糖利用率分别为91.7%和85.9%, 乙醇产率为26%。木糖醇的含量极低。     

gTME构建共发酵木糖和葡萄糖的重组酿酒酵母

利用全转录工程（gTME）方法将全局转录因子spt15随机突变并克隆表达, 构建突变库。将突变基因连接到表达载体 pYX212上, 醋酸锂法转化入不利用木糖的酿酒酵母YPH499中, 经特定的培养基初筛获得高效利用木糖并共发酵木糖和葡萄糖的酿酒酵母重组菌株。对获得的重组菌株进行了初步研究, 该菌株能够很好的利用木糖并共发酵木糖和葡萄糖。在30oC, 200 r/min, 发酵96 h时, 50 g/L木糖和葡萄糖的利用率为94.0%和98.9%, 乙醇产率为32.4%和31.6%, 原始菌株乙醇产率为44.3%; 当木糖和葡萄糖以质量比1:1混合发酵时, 木糖和葡萄糖利用率分别为91.7%和85.9%, 乙醇产率为26%。木糖醇的含量极低。     

利用木糖-葡萄糖为原料产乙醇酵母的筛选、鉴定及发酵试验

建立筛选利用木糖为碳源产乙醇酵母模型,获得一株适合利用木质纤维素为原料产乙醇的酵母菌株。样品经麦芽汁培养基培养后,以木糖为唯一碳源的筛选培养基初筛,再以重铬酸钾显色法复筛。通过生理生化和26D1/D2区对筛选得到的菌株进行分析和鉴定,该菌初步鉴定为Pichia caribbica。经过筛选得到的菌株Y2-3以木糖（40g/L）为唯一碳源发酵时：生物量为23.5g/L,木糖利用率为94.7 %,乙醇终产量为4.57 g/L;以混合糖（葡萄糖40 g/L,木糖20 g/L）发酵时：生物量为28.6 g/L,木糖利用率为94.2 %,葡萄糖利用率为95.6%,乙醇终产量为20.6 g/L。Pichia caribbica是可以转化木糖及木糖-葡萄糖混合糖为乙醇的酵母菌株,为利用木质纤维素发酵乙醇的进一步研究奠定了基础。