双酶偶联转化富马酸制备β-丙氨酸的工艺的建立与优化

酶转化法是生产β-丙氨酸的重要途径,但单一酶法转化存在底物价格较高的问题。通过构建双酶催化体系制备β-丙氨酸,即将来源于大肠杆菌的天冬氨酸酶(AspA)和来源于谷氨酸棒杆菌的L-天冬氨酸α-脱羧酶(PanD)偶联,以富马酸和氨为底物进行酶促反应合成β-丙氨酸。催化反应中AspA与PanD的最适加酶比例为1∶80,其中AspA的浓度为10μg/mL,转化温度为37℃,pH为7.0;浓度为100 mmol/L的富马酸可在8 h内被完全转化,转化率为100%,摩尔产率为90.9%,β-丙氨酸的产量为90 mmol/L,约为7 g/L;浓度为200 mmol/L的富马酸在反应8 h后,体系中β-丙氨酸的产量为126 mmol/L,约合9.8 g/L,继续延长反应时间,转化率并没有明显提高。根据该研究提出的双酶偶联转化工艺可将价格低廉的富马酸一步转化为具有高附加值的β-丙氨酸。     

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.     

丙氨酸转氨酶修饰对大肠杆菌L-色氨酸合成的影响

探究大肠杆菌细胞内负责L-丙氨酸合成的转氨酶对菌株代谢及L-色氨酸合成的影响。运用Red重组技术分别对编码L-丙氨酸转氨酶的基因alaA、alaC和avtA进行敲除。通过摇瓶和50 L罐中探究其对L-色氨酸积累、L-丙氨酸代谢及菌体生长变化情况。结果显示,除3种L-丙氨酸转氨酶全部缺失的工程菌L-丙氨酸合成受阻、菌体生长受到较强抑制外,其它各任意一种或两种丙氨酸转氨酶缺失菌株的生长并未有较大差异,但色氨酸的合成变化显著。其中alaA和alaC双基因缺失的E.coli FS-T4工程菌,摇瓶发酵L-色氨酸产量达6.08 g/L,L-丙氨酸含量仅0.16 g/L,较出发菌株分别提高了26.7%和降低了91.0%。在50 L罐中E.coli FS-T4工程菌L-色氨酸产量最高可达41.9 g/L,糖酸转化率达20.5%,分别较出发菌株提高了13.8%和5.1%。转氨酶AlaA和AlaC的同时缺失,既可以满足细胞整体氨基酸池的需要,而且有利于减少杂酸的积累,使得更多的碳源流向L-色氨酸的合成。     

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%。     

大肠杆菌全细胞转化联产L-2-氨基丁酸和D-葡萄糖酸

以大肠杆菌BL21(DE3)为表达宿主,构建两株分别表达L-苏氨酸脱氨酶(LTD,基因来源大肠杆菌)和共表达亮氨酸脱氢酶(LDH,来源蜡样芽孢杆菌)/葡萄糖脱氢酶(GDH,来源枯草芽孢杆菌)的重组大肠杆菌,在此基础上,构建了一种以L-苏氨酸和D-葡萄糖为底物联产L-2-氨基丁酸(L-ABA)和D-葡萄糖酸的全细胞转化系统。通过转化条件(温度、p H、细胞通透性和菌体量)优化,并采用分批补料策略,164 g/L L-苏氨酸和248 g/L D-葡萄糖最终转化得到141.6 g/L的L-ABA和269.4 g/L的D-葡萄糖酸,时空得率分别达到7.1 g/(L?h)和13.5 g/(L?h),得率超过99%。本研究使用价格低廉的大宗化学品高效率生产出有较高附加值的产物,全细胞转化系统无需额外添加昂贵的辅酶,更适用于工业化生产。     

一菌双酶法制备L-4-氟苯丙氨酸

利用重组E．coli产天冬氨酸酶和天冬氨酸转氨酶催化生产L-4-氧苯丙氨酸的工艺。实验结果表明最佳转化条件为-37℃,pH值4．5—8．5,菌体与酮酸的质量浓度比为1.5,CTAB的质量分数为0．04％,酮酸的质量浓度11．28g／L,富马酸铵与酮酸的摩尔比为3．0：1．0,添加1mmol／L的Fe^2＋,L-天冬氨酸与酮酸的摩尔比为0．4：1。在最适条件下,经过14h酶转化反应达到平衡,酮酸转化率可达到95％以上,L-4-氟苯丙氨酸得率也可达到80％以上。此法原料简单易得,为L-4-氟苯丙氨酸的制备提供了一种新方法：     

“一锅双酶”法制备L-天冬氨酸的工艺条件优化

L-天冬氨酸作为一种大宗氨基酸产品,在医药、食品和化工等方面有着广泛的用途。笔者所在实验室成员前期已经构建1株含有顺丁烯二酸异构酶与L-天冬氨酸氨基裂解酶、且可直接将顺丁烯二酸铵转化成L-天冬氨酸铵的工程菌,对其培养基、发酵条件以及制备条件进行优化。得到的优化发酵培养基:蛋白胨20 g/L,酵母浸粉5g/L,Na Cl 1.45 g/L,富马酸10 g/L,NH4NO38 g/L,乳糖6 g/L,氨水调节pH至7.5。最佳发酵培养条件:发酵罐的转速150 r/min,通气量1.5 L/min,最佳的接种量0.5%(体积分数)。通过发酵罐对优化后的培养基进行扩大培养,得出1 L发酵液可以转化1 kg顺丁烯二酸铵,优化后相同培养体积的菌体转化的底物量提高了1倍。为实现"一锅双酶"法制备L-天冬氨酸工艺的规模放大奠定了基础。     

家蚕丝素凝胶固定化细胞生产L-丙氨酸的研究

把家蚕丝素制成丝素溶液,加入工程菌混匀凝固后用戊二醛交联固定,制成固定化细胞丝素凝胶,利用工程菌把底物L天门冬氨酸转化成L丙氨酸。实验结果表明,通过控制底物的流速,可使转化率达到96%以上,在转化率为96%时达到最大转化效率,产量为3.42g/h。连续使用1个月转化原活力仍保持在92%以上。     

利用Red同源重组技术构建产L-苏氨酸的基因工程菌

利用Red重组技术构建不同基因突变的L-苏氨酸工程菌大肠杆菌ITHR,研究单敲除metA、ilvA和双敲除metA、ilvA基因后对L-苏氨酸积累的影响。应用质粒pKD46介导的Red同源重组系统,通过第一次同源重组将拟敲除基因替换为氯霉素抗性基因,再通过重组酶在FRT位点发生第二次同源重组,消除抗性基因,成功敲除了菌株ITHR体内苏氨酸合成的代谢旁路途径中的metA和ilvA基因,构建了三株不同的基因突变株。将携带苏氨酸操纵子的工程质粒pWYE065电转化入敲除不同基因的突变株中,构建基因工程菌。经5 L发酵罐发酵产酸实验,未敲除任何基因的菌株ITHR/pWYE065 L-苏氨酸的产量为5.55±0.51 g/L,metA基因单敲除菌株ITHR△metA/pWYE065 L-苏氨酸产量为9.77±1.83 g/L,ilvA基因单敲除菌株ITHR△ilvA/pWYE065 L-苏氨酸产量为8.65±1.42 g/L,同时敲除ilvA和metA基因的菌株ITHR△metA△ilvA/pWYE065 L-苏氨酸的产量增加到13.6±1.14 g/L。通过敲除L-苏氨酸的旁路代谢途径中的关键酶的基因,可以增强L 苏氨酸积累的效果,为L-苏氨酸工程菌的进一步改造奠定了基础。     

谷氨酸棒杆菌L-天冬氨酸α-脱羧酶在大肠杆菌中的表达及酶转化生产β-丙氨酸

【目的】克隆谷氨酸棒杆菌来源L-天冬氨酸α-脱羧酶基因, 实现其在大肠杆菌中的异源表达, 并进行酶转化L-天冬氨酸合成β-丙氨酸的研究。【方法】PCR扩增谷氨酸棒杆菌L-天冬氨酸α-脱羧酶基因pand, 构建表达载体pET24a(+)-Pand, 转化宿主菌大肠杆菌BL21(DE3), 对重组菌进行诱导表达, 表达产物经DEAE离子交换层析和G-75 分子筛层析纯化后进行酶学性质研究, 然后进行酶转化实验, 说明底物和产物对酶转化的影响。【结果】重组菌SDS-PAGE分析表明Pand表达量可达菌体总蛋白的50%以上, AccQ·Tag法检测酶活达到94.16 U/mL。该重组酶最适反应温度为55 °C, 在低于37 °C时保持较好的稳定性, 最适pH为6.0, 在pH 4.0?7.0范围内有较好的稳定性。酶转化实验说明: 底物L-天冬氨酸和产物β-丙氨酸对转化反应均有抑制作用; 实验建立了较优的酶转化反应方式, 在加酶量为每克天冬氨酸3 000 U时, 以分批加入固体底物L-天冬氨酸的形式, 使100 g/L底物转化率达到97.8%。【结论】重组L-天冬氨酸α-脱羧酶在大肠杆菌中获得高效表达, 研究了酶转化生产β-丙氨酸的影响因素, 为其工业应用奠定了基础。     

生物转化法制备L-天冬酰胺

探索生物转化法制备L-天冬酰胺的技术与工艺。通过分子生物学方法,克隆来源于大肠杆菌(Escherichia coli, E.coli)JM109的天冬酰胺合成酶A基因asnA,并于E. coli BL21(DE3)中表达,利用构建的E.coli基因工程菌E.coli BL21(DE3)/pET28a(+)-asnA全细胞高密度催化L-天冬氨酸生产L-天冬酰胺,以PITC柱前衍生-高效液相检测底物和产物。表达的蛋白质分子质量约为37kDa,与预期大小相符,比酶活力为1786.6U/g。L-天冬氨酸转化率为95.8%,L-天冬酰胺产量可达126.5g/L,生产速率为15.81g/(L·h)。结果表明,已成功构建高效表达天冬酰胺合成酶A基因工程菌株,并用于催化L-天冬氨酸转化生产L-天冬酰胺,解决了L-天冬酰胺生物转化生产工艺中ATP成本过高的难题,为L-天冬酰胺制备提供新的绿色途径。     

产L-天冬氨酸α-脱羧酶细菌的分离、鉴定及发酵条件优化

【目的】从葡萄园土壤中分离L-天冬氨酸α-脱羧酶的产生菌株,对其进行分类鉴定,优化其产生L-天冬氨酸α-脱羧酶的发酵条件,为β-丙氨酸的生物合成提供基础。【方法】采用变色圈法和液体复筛培养基分离筛选具有L-天冬氨酸α-脱羧酶活力的菌株,对菌株进行形态、生理生化特征试验及16S r RNA序列同源性分析鉴定菌株的系统发育学地位,采用单因素及正交设计试验优化培养基及发酵条件。【结果】筛选到一株L-天冬氨酸α-脱羧酶高产菌株Pan D37,其亲缘关系和特基拉芽孢杆菌(Bacillus tequilensis)较近,且形态与培养特征、生理生化特性与特基拉芽孢杆菌基本相符。研究表明其最佳发酵配方和培养条件为:蔗糖22.5 g/L、富马酸7.5 g/L、蛋白胨20 g/L、L-天冬氨酸6 g/L、Triton X-100 2g/L,起始p H为7.0,装液量50 m L/500 m L,摇床转速220 r/min,种子液接种量为5%(V/V),35°C培养28h。在最优条件下L-天冬氨酸α-脱羧酶活力可达44.57 U/m L,比初筛时提高2.57倍。【结论】分离并获得一株特基拉芽孢杆菌(Bacillus tequilensis)Pan D37,经条件优化后具有较高的L-天冬氨酸α-脱羧酶产生能力,有望应用于β-丙氨酸的工业生产。     

一株重组大肠杆菌/pET-28a-lpgad的构建及其高效生产γ-氨基丁酸转化条件的优化

为实现微生物法高效率生产γ-氨基丁酸(GABA),从一株经多次诱变筛选的具有较高谷氨酸脱羧酶(GAD)活力植物乳杆菌GB 01-21全基因组DNA中PCR扩增获得GAD酶基因lpgad,构建重组质粒pET-28a-lpgad,在大肠杆菌E.coli BL21(DE3)中高效诱导表达。并采用Ni柱亲和层析纯化获得重组GAD,并对其酶学性质进行初步研究,为改良转化工艺提高GABA产量提供可靠理论依据。结果显示,重组大肠杆菌中GAD酶活显著提高,可达8.53 U/mg,是植物乳杆菌GB 01-21中GAD酶活的4.24倍。将该重组菌应用于转化L-谷氨酸生产GABA,5 L发酵罐水平转化24 h产量可达143.5 g/L,摩尔转化率为97.32%,是植物乳杆菌GB 01-21的2.19倍。纯化后酶学性质进行初步研究表明:其最适pH为4.8;最适温度为37℃;Ca2+、Mg2+对其有较强的激活作用,将上述实验结果用于转化条件的优化,最终5 L发酵罐上进行转化实验,批次添加底物L-谷氨酸共600 g,转化24 h,GABA累计浓度可达204.5 g/L,摩尔转化率为97.92%,与最初转化条件相比,GABA浓度提高了42.5%,为其工业化应用打下了良好的基础。     

α-氨基酸酯酰基转移酶表达纯化、酶学性质及其催化应用

α-氨基酸酯酰基转移酶(α-amino acid ester acyltransferase,AET)能够催化底物L-丙氨酸甲酯盐酸盐、L-谷氨酰胺合成L-丙氨酰-L-谷氨酰胺(L-alanyl-L-glutamine,丙谷二肽)。利用重组大肠杆菌saet-QC01表达α-氨基酸酯酰基转移酶,对其表达条件进行了优化,通过Ni-NTA亲和层析法分离纯化重组蛋白,并对其酶学性质、催化应用进行了研究。适合酶表达的诱导条件:温度20℃,诱导阶段(OD_(600)=2.0-2.5),IPTG浓度0.6 mmol/L,诱导时间12 h。α-氨基酸酯酰基转移酶的最适反应温度27℃,最适pH 8.5,在pH 7.0-8.0很稳定,在酸性条件下相对稳定,低浓度的Co~(2+)、低浓度的EDTA对酶活有促进作用。在底物浓度丙氨酸甲酯盐酸盐600 mmol/L、谷氨酰胺480 mmol/L,丙谷二肽的产量达到78.2 g/L,生产速率达到1.955 g/(L·min),转化率达到75.0%。α-氨基酸酯酰基转移酶具有良好的酸碱耐受性,催化效率高的优良特性,在工业生产中具有较好的应用潜力。     

酿酒酵母gpd1和hor2基因在大肠杆菌中的共表达

利用途径工程的方法,在大肠杆菌中构建一条新的产甘油的代谢途径。从酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)克隆3-磷酸甘油脱氢酶基因(gpd1)和3-磷酸甘油酯酶基因(hor2),并将两个基因串连到启动子trc的下游,构建由trc启动子控制的能高效表达的多顺反子重组质粒pSE-gpd1-hor2,将重组质粒导入大肠杆菌BL21菌株中,构建得到的重组菌株GxB-gh能将葡萄糖转化为甘油。结果表明重组菌株GxB-gh以葡萄糖为底物进行发酵,甘油产量为46．67g／L,葡萄糖的转化率为42.87％。这为利用工程菌绿色生产甘油进行了前期的探索,也为进一步构建能生产1,3-丙二醇的工程菌打下了良好的基础。     

重组钝齿棒杆菌全细胞转化生产L-瓜氨酸条件优化

实现了精氨酸脱亚胺酶(ADI)首次在钝齿棒杆菌Corynebacterium crenatum SYPA 5-5中的高效表达。通过Ni-NTA亲和层析纯化得到纯化ADI,经SDS-PAGE测定其分子量约为46.8 k Da,酶学性质研究发现ADI的最适催化温度为37℃,最适pH为6.5,ADI在最佳催化条件下作用于L-精氨酸的米氏常数为12.18 mmol/L,最大反应速率为0.36μmol/(min·mL)。优化了重组菌全细胞转化产L-瓜氨酸的工艺条件,在最优条件下可一次转化300 g/L L-精氨酸,转化速率达8 g/(L·h)。进行重组菌5 L罐发酵并进行罐上全细胞转化300 g/L L-精氨酸,一批菌体可进行多次转化,累计产量达1 900 g以上。     

累积番茄红素的大肠杆菌工程菌及其培养条件的研究

噬夏孢欧文氏菌番茄红素合成相关基因crtE, crtB, crtI同时克隆进表达载体pET-15b构建pET-15bcrtIEB,将该重组质粒转化E.coliBL21(DE3)构建工程菌,IPTG诱导工程菌累积红色色素,经HPLC和吸收光谱分析,工程菌中合成的色素为番茄红素。研究了碳源、金属离子、培养温度、诱导剂浓度、诱导时间等参数对工程菌生长及色素累积的影响,确定了合适的培养条件：培养基为改良LB培养基（蛋白胨10g/L、酵母提取物5g/L、麦芽糖5g/L、MgCl2 0.1g/L,NaCl 10g/L）;起始培养温度为37℃;培养至OD600为0.6左右时加入IPTG,终浓度为0.5mmol/L,诱导温度降至30℃;诱导时间为14h。发酵完成后工程菌的生物量（干重）为3.45g/L,番茄红素的最高含量可达5.8mg/gDW。     

温特曲霉转富马酸为L-苹果酸的初步研究*

从大量霉菌中选育到一株具有较高富马酸酶活性的温特曲霉(Aspergillus wentii) A5-61。在摇瓶培养条件下,32℃ 96小时,产L-苹果酸达10.49g/100ml,对富马酸的转化率达90.80%。利用菌体细胞,进行酶转化试验,结果表明：1.6g湿菌体接入25ml含富马酸10.0%（用NaOH中和至pH7.0）的转化液中,35℃16～24小时,连续转化三次,分别产生L—苹果酸9.61g/100ml、9.73g/100ml、6.93g/100ml。对菌体整体细胞酶学性质的研究表明,其最适反应温度35℃,最适反应pH7.0,Cu2＋对该酶有明显的抑制作用,该酶的Km＝0.154mol/L,Vmax＝0.0571mol/L·h。     

用毕赤酵母的GAP启动子调控表达L-阿拉伯糖异构酶

应用PCR从大肠杆菌基因组中扩增L-阿拉伯糖异构酶基因,用EcoR I和Not I双酶切将其克隆进P.pastoris表达载体,获得重组表达载体pGAP9K-L-ai。通过电转法将pGAP9K—L-ai转化毕赤酵母GS115,筛选高G418抗性和高表达L-阿拉伯糖异构酶的重组工程菌。用葡萄糖作为碳源在摇瓶中发酵48 h,表达重组L-ai 53 mg/L。用毕赤酵母的GAP启动子调控表达的重组L-ai具有异构D-半乳糖生成D-塔格糖的生物学活性。     

化学-酶法制备L-高苯丙氨酸

以苯丙酸乙酯为原料,通过正交设计优化2-氧4-苯基丁酸盐的制备条件：苯丙酸乙酯与草酸二乙酯摩尔比为1：3,缩合反应时间为2．5h,H2SO4质量分数为20％,水解反应时间为15h,优化条件下2-氧-4-苯基丁酸盐的产率为68．24％。随后,利用E．coli A5所产的天冬氨酸转氨酶为生物催化剂制备L-高笨丙氨酸。酶转化反应的最适条件为：游离细胞体系pH、温度、底物质量浓度和细胞质量浓度分别为8．5、37℃、20g/L和30g／L;而固定化细胞体系则分别为7．0—9．0、40℃、10g／L和30g/L。采用廉价的L-谷氨酸（L—Glu）作为氨基供体,添加表面活性剂有利于提高L-HPA产率。通过研究固定化细胞转化反应进程,结果发现8h内90％的底物可转化为L—HPA。