鼠李糖乳杆菌D-乳酸脱氢酶基因ldhD的敲除

聚乳酸由可再生原料L-乳酸合成,是目前应用的最环保的生物塑料之一。鼠李糖乳杆菌JCM1553中的L-乳酸和D-乳酸,它们是由代谢途径中的L-乳酸脱氢酶和D-乳酸脱氢酶分别催化丙酮酸而生成。L-乳酸的光学纯度对于L-乳酸的应用至关重要。因此,为了获取光学纯的L-乳酸,需要敲除该鼠李糖乳杆菌编码D-乳酸脱氢酶的基因ldhD以阻断相关的D-乳酸代谢途径。本研究采用pK18mobsacB自杀质粒运用重叠延伸PCR和同源重组技术成功构建得到重组鼠李糖乳杆菌菌株JCM1553-△ldhD。构建的缺失突变体JCM1553-△ldhD菌株没有引入外源基因,完全符合食品、药品安全要求,发酵液中检测到的L-乳酸含量为99.92%,光学纯度达到99.84%,显著优于野生型菌株。     

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。     

D-乳酸合成阻断对肺炎克雷伯氏菌的1,3-丙二醇发酵的影响

利用Red同源重组技术,快速敲除肺炎克雷伯氏菌中的编码D-乳酸脱氢酶的两个基因——ldhA和dld,获得KG1-1和KG1-2两个突变株,并研究了敲除编码D-乳酸脱氢酶基因丧失合成D-乳酸的KG1-1菌株的1,3-PD产量和菌体生长变化,实验结果表明乳酸合成缺失对现有工艺1,3-丙二醇发酵无影响。     

微生物发酵产光学纯度D-乳酸研究进展

D-乳酸作为一种重要的手性中间体和聚乳酸合成的原料,其生产已越来越受到人们的重视。然而,低光学纯度D-乳酸在很多领域的应用都受到限制。微生物发酵法能够生产高光学纯度的D-乳酸。除了乳酸生产的传统菌株-乳酸细菌,研究者们还通过基因工程的手段不断探索其它种属菌株利用更廉价的可再生资源高产光学纯度D-乳酸的可行性。介绍了D-乳酸的物化性质及其在工业生产、化学加工和聚乳酸合成中的应用,并详细综述了国内外发酵法生产光学纯度D-乳酸的最新研究进展,着重介绍了采用基因工程育种策略提高菌株的D-乳酸产量、转化率、生产强度以及光学纯度,降低副产物的合成,扩大底物利用范围的研究成果。所涉及的菌株包括:乳酸细菌、大肠杆菌、谷氨酸棒杆菌以及酵母等。这些研究表明,应用基因工程手段改造生产菌株的代谢途径是选育D-乳酸发酵生产菌株的发展趋势。最后还对D-乳酸发酵生产的前景进行了展望。     

来自詹氏乳杆菌的耐热D-乳酸脱氢酶的酶学性质研究

【目的】D-乳酸脱氢酶是催化丙酮酸合成D-乳酸的关键酶。由于其不耐热,从而限制了D-乳酸高温发酵菌株的构建。本文从詹氏乳杆菌中克隆新型D-乳酸脱氢酶研究其酶学性质,为构建D-乳酸高温发酵菌株,进一步降低D-乳酸生产成本奠定基础。【方法】通过克隆詹氏乳杆菌的D-乳酸脱氢酶,将其进行体外表达,并与来自植物乳杆菌中的D-乳酸脱氢酶的最适温度、最适pH、动力学参数及热稳定性和热失活性相比较,研究詹氏乳杆菌D-乳酸脱氢酶的耐热性。【结果】詹氏乳杆菌的D-乳酸脱氢酶最适温度(45 °C)比植物乳杆菌中的D-乳酸脱氢酶的最适温度(30 °C)高很多,热失活的时间和温度均要比植物乳杆菌中D-乳酸脱氢酶高很多。同时其催化效率(kcat/Km)是植物乳杆菌D-乳酸脱氢酶的3倍左右。【结论】詹氏乳杆菌的D-乳酸脱氢酶具有更好的耐热性和更高的催化活力。     

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。     

D-乳酸生产菌菊糖芽孢乳杆菌来源的D-乳酸脱氢酶同工酶

【目的】菊糖芽孢乳杆菌(Sporolactobacillus inulinus)作为典型的同型发酵产D-乳酸的优势菌株,能够高效生产高纯度的D-乳酸。该菌株发酵受到多方面环境因素影响。糖代谢的关键酶例如葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶以及乳酸脱氢酶均为由葡萄糖代谢成为乳酸的关键酶,该菌中相关代谢酶的研究是发酵调控至关重要的基础。分析S.inulinus的基因组表明有3个推测为D-乳酸脱氢酶的基因,其中已有报道研究了1个双功能蛋白[bifunctional protein(BP)]。本研究分别克隆并解析了另2个D-乳酸脱氢酶同工酶的性质。【方法】本研究以S.inulinus Y2-8基因组DNA为模板,克隆得到2个D-ldh基因(dldh、dhdh),经测序分别为D-乳酸脱氢酶[D-lactic acid dehydrogenase(DLDH)]和D-羟基酸脱氢酶[D-isomer specific 2-hydroxyacid dehydrogenase(DHDH)]的基因。构建的重组菌表达蛋白DLDH,DHDH均具有催化丙酮酸生成D-乳酸的功能。【结果】重组菌表达的蛋白经镍柱亲和层析达到电泳纯。SDS-PAGE分析表明DLDH的表观分子量为37 k Da,DHDH的表观分子量为39 k Da。此外,DLDH以丙酮酸为底物时Km值为(0.58±0.04)mmol/L,对底物有较高的亲和力,最适反应温度为35°C,最适p H为6.5;而DHDH以丙酮酸为底物时Km值为(1.70±0.08)mmol/L最适反应温度为30°C,最适p H为7.5。另有报道的BP以丙酮酸为底物时Km值为(3.40±0.02)mmol/L,最适反应温度为30°C,最适p H为5.5。【结论】根据对底物丙酮酸的亲和力,最适温度及最适p H,推测DLDH是乳酸发酵中产D-乳酸的主导催化剂。结合相关酶学性质的分析可为今后的发酵调控提供理论依据。     

奇异变形杆菌JN458 D-乳酸氧化酶的性质研究

[目的]对奇异变形杆菌JN458 D-乳酸氧化酶进行酶学性质研究。[方法]克隆D-乳酸氧化酶基因(lod D),构建重组质粒在大肠中表达,生物信息学初步分析D-乳酸氧化酶氨基酸序列,镍柱纯化该酶并研究其性质。[结果]生物信息学分析该酶C-末端含膜结合结构域,所以是膜蛋白,属于以醌作为电子受体的D-乳酸氧化酶。最适温度60℃,50℃下保持稳定1 h,中高温适应性较好。最适pH 7,pH 7~9下保持稳定1 h。以D-乳酸为底物时Km值为0.61 mmol/L,对D-乳酸有很高的亲和力。Fe~(2+)、Mn~(2+)和Mg~(2+)在1~6 mmol/L的浓度内能提高酶活,其中Fe~(2+)效果最好。[结论]lod D在大肠中实现了高效表达,使新型D-乳酸氧化酶的应用有了理论依据。     

奇异变形杆菌JN458 D-乳酸氧化酶的性质研究北大核心

[目的]对奇异变形杆菌JN458 D-乳酸氧化酶进行酶学性质研究。[方法]克隆D-乳酸氧化酶基因(lod D),构建重组质粒在大肠中表达,生物信息学初步分析D-乳酸氧化酶氨基酸序列,镍柱纯化该酶并研究其性质。[结果]生物信息学分析该酶C-末端含膜结合结构域,所以是膜蛋白,属于以醌作为电子受体的D-乳酸氧化酶。最适温度60℃,50℃下保持稳定1 h,中高温适应性较好。最适pH 7,pH 7~9下保持稳定1 h。以D-乳酸为底物时Km值为0.61 mmol/L,对D-乳酸有很高的亲和力。Fe^(2+)、Mn^(2+)和Mg^(2+)在1~6 mmol/L的浓度内能提高酶活,其中Fe^(2+)效果最好。[结论]lod D在大肠中实现了高效表达,使新型D-乳酸氧化酶的应用有了理论依据。     

D-乳酸产生菌的研究进展

D-乳酸作为一种重要的工业有机酸,是许多手性物质的中间体,特别是高光学纯度D-乳酸因其可以提高聚乳酸材料的性能而广泛应用。微生物发酵法是目前D-乳酸的主要生产方法,而菌种在发酵生产中占有非常重要的地位,是决定整个生产过程的关键。就近几十年来产D-乳酸常用菌株、菌种进化、研究方法、存在问题及前景做一综述。     

内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶不对称合成非天然手性D-氨基酸的研究进展

内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶不对称合成非天然的手性D-氨基酸是目前生物催化领域的研究热点。内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶具有优良的立体选择性,利用其进行酶催化不对称合成光学纯的手性D-氨基酸,被广泛用于医药、食品、化妆品、精细化学品等领域。为了促进生物催化法在合成手性D-氨基酸方向的进一步发展,本文对内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶催化合成D-氨基酸的现状进行了综述。重点介绍了Corynebacterium glutamicum、Ureibacillus thermosphaericus、Symbiobacterium thermophilum来源的内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶在新酶的挖掘、催化性能、晶体结构解析、分子改造、功能与催化机制、合成D-氨基酸新途径等方面的研究进展,并对内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶的未来研究方向及策略进行了展望。本综述将进一步加深人们对内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶的认识,也为具有挑战性的生物合成任务提供信息借鉴。     

D-乳酸在微孔超高交联树脂HD-01上的吸附热力学及动力学

对D-乳酸在微孔超高交联树脂HD-01上的吸附热力学和动力学进行研究。考察p H对D-乳酸吸附的影响,D-乳酸的吸附量随p H的升高而降低,最佳p H为2.1。采用静态吸附法测定温度293.15、313.15和333.15 K下D-乳酸的吸附等温线,并采用Langmuir和Freundlich等温线方程对实验数据进行拟合,其中Freundlich方程的拟合效果较好,相关系数R20.99。树脂HD-01对D-乳酸的吸附量为0.146 5 g/g(ρe=102 g/L,333.15 K),比大孔吸附树脂Amberlite XAD1600高出11%。计算得到的吉布斯自由能变ΔG和等量吸附焓变ΔH均小于零,说明D-乳酸在HD-01上的吸附是自发进行的放热过程。测定了不同温度下D-乳酸在树脂上的吸附动力学,实验结果表明,吸附动力学曲线符合准一阶速率方程。D-乳酸在树脂上的传质速率随温度的升高而增大,293.15 K达到吸附平衡只需10 min。     

芽孢杆菌P38中乳酸脱氢酶对其产L-乳酸光学纯度的影响

【目的】研究芽孢杆菌(Bacillus sp.) P38中乳酸脱氢酶对其产高光学纯L-乳酸(光学纯度>99%)的影响。【方法】全基因组测序显示在该菌中存在3个乳酸代谢关键酶,分别为L-乳酸脱氢酶(L-LDH)、D-乳酸脱氢酶(D-LDH)和苹果酸或L-乳酸脱氢酶(M/L-LDH)。通过将这3个酶进行异源表达、纯化与酶学特性分析,结合Native-PAGE、实时荧光定量PCR等方法,初步确定该菌高产光学纯L-乳酸的机理。【结果】Bacillus sp. P38中L-LDH对丙酮酸的催化活性(Kcat/Km值)最高,分别是D-LDH的2.9倍和M/L-LDH的4.3倍。其中M/L-LDH主要起L-LDH的功能。Native-PAGE实验中未检测到D-LDH活性。Bacillus sp. P38所有发酵阶段ldhL的转录水平均高于ldhD和ldhM/L。【结论】L-LDH是Bacillus sp. P38产高光学纯L-乳酸的主要关键酶。     

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。     

产业化信息

继1999年和2002年,淄博广通公司和上海凯赛公司先后转让中国科学院微生物研究所的长链二元酸生物合成技术,在山东淄博龙泉地区和济宁地区建成两座千吨级规模生物合成工厂之后,2006年3月,第3座千吨级规模的长链二元酸生物合成新工厂耸立在我国江苏省淮安市开发区大地上,中国科学院微生物研究所技术发明人陈远童教授等带着新研制的第三代生物合成新技术下厂指导试生产。新技术在50吨规模的发酵罐中一次试车成功,十二碳和十三碳二元酸的发酵产酸水     

乳酸高产菌的代谢调控育种思路

简述了乳酸的结构、性质、用途和生产方法;讨论了乳酸的生物合成途径、代谢途径酶系的组成以及代谢调节机制;重点阐述了采用代谢调控手段如何选育乳酸高产菌的育种战略,概述了近年来乳酸高产菌新的育种技术。     

Molecular cloning, gene expression, purification and characterization of fermentative D-lactate dehydrogenase from S.marcescens H3010

通过PCR技术从粘质沙雷氏菌H3010基因组DNA中扩增出该D-乳酸脱氢酶基因,连接至pET-28a(+)表达载体,转入大肠杆菌BL21 (DE3)中进行了重组表达,优化了酶纯化的条件,并对其酶学性质进行初步研究.结果表明,获得的该酶编码基因全长993 bp,编码330个氨基酸,大小为37 kDa.经优化表达及纯化条件后重组酶纯度可达90％.酶学性质研究发现,该重组酶最适反应温度为60℃,最适酶促反应pH为7.5(0.2 mol/L磷酸盐缓冲液),37℃下测得对底物丙酮酸的动力学参数Km =3.39 mmol/L,Vmax =6.87 mmol/( mg · min),对辅酶NADH的动力学参数Km=1.43 mmol/L,Vmax=1.61 mmol/( mg· min).为酶法生产D-乳酸及利用代谢工程构建产D-乳酸的基因工程菌打下基础.     

鼠李糖乳杆菌D-(+)-乳酸脱氢酶基因的克隆及在大肠杆菌中的表达

利用PCR的方法从鼠李糖乳杆菌基因组DNA中扩增到D-(+)-乳酸脱氢酶基因(ldhD),并连接到载体pSE380上,构建表达质粒pSE-ldhD,将重组质粒pSE-ldhD转化大肠杆菌BL21(DE3),重组菌株经IPTG诱导表达,SDS-PAGE电泳分析表明ldhD在大肠杆菌中实现了表达,表达产物的分子量约为37kD。同时采用紫外分光光度法测定D-乳酸脱氢酶的酶活,测得重组菌株的D-乳酸脱氢酶活力为5.4U/mL,最适反应温度为35℃,最适pH为5.6。     

生物法合成丙烯酸的研究进展

丙烯酸是一种重要的化工原料,被广泛应用于涂料、超吸附材料等领域。目前丙烯酸的获得主要通过丙烯氧化,但由于石油资源日渐枯竭以及生产过程造成的环境问题,利用生物质资源生产丙烯酸已成为研究热点。介绍了丙烯酸的性质及其在工业上的应用,并详细综述了生物法制备丙烯酸的研究进展。根据丙烯酸生产中是否应用传统的化工过程,将其分为半生物合成和全生物合成。半生物法主要包括乳酸化学法脱水以及丙烯腈、丙烯酰胺的生物转化;全生物法主要包括乳酸生物法脱水、3-羟基丙酸途径、糖直接发酵法以及DMSP(二甲基巯基丙酸内盐)途径。由于乳酸发酵的工艺成熟、原料易得,因此对乳酸脱水进行了重点介绍,其中生物法脱水符合可持续发展的要求,对其进行了详细介绍。同时还分析了各种方法的优缺点,探讨了利用生物质资源生产丙烯酸的研究趋势。     

苯乳酸生物合成的研究进展*

苯乳酸是一种天然无毒且具有广谱抑菌作用的新型生物防腐剂,可由多种不同的微生物代谢产生,大多数乳酸菌都能够代谢生成苯乳酸。苯乳酸应用广泛,不仅能够应用于食品行业抑制多种病原菌,还可以广泛应用于医药和化工业。对苯乳酸的特性和应用以及其生物合成进行了综述,以期对苯乳酸及其生物合成有较系统的了解。