合成生物学与代谢工程在谷氨酸棒杆菌产氨基酸中的应用

氨基酸是重要的化合物,在食品、医药、化工等领域具有广泛用途.多种氨基酸可以通过蛋白质水解提取法、化学合成法以及微生物法生产,现如今大部分的氨基酸都开始尝试微生物发酵法实现工业生产.谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)作为发酵生产氨基酸的先驱者,其生产的氨基酸产量已达年产数百万吨.随着合成生物学技术以及新一代基因编辑技术的兴起,谷氨酸棒杆菌能生产的氨基酸种类从传统的几种氨基酸扩大到了几乎所有氨基酸及其衍生物.本文综述了近年来利用代谢工程及合成生物学工具对谷氨酸棒杆菌的改造技术,并介绍了一些利用谷氨酸棒杆菌生产传统氨基酸以及非天然氨基酸的典型案例,为谷氨酸棒杆菌突破所有氨基酸生产瓶颈提供参考.     

古菌Pyrococcus furiosus嗜热α-淀粉酶基因在酿酒酵母中的表达

用PCR方法从嗜热古菌Pyrocccus furiosus的基因组DNA中扩增出胞外α-淀粉酶成熟肽结构基因,插入pUC19中构建成质粒pUC19-amy,将pUC19-amy外源片段接入酿酒酵母表达载体pXY212多克隆位点,构建成载体pYX212-amy,电转化酿酒酵母W303-1A,转化子成功表达出有活性的高嗜热α-淀粉酶,重组酶具有P.furiosus产生的胞外α-淀粉酶相似的酶学性质,最适pH为5.0,最适温度约为90℃,在121℃下热处理30min酶活仍能保持50%以上。     

新型羟基化酶基因的克隆及其洛伐他汀转化的应用

无锡他汀由洛伐他汀经拟无枝酸菌Amycolatopsis sp. CGMCC1149羟基化而来。为获得该转化过程中的关键酶——羟基化酶,运用简并PCR和SEFA PCR技术,从Amycolatopsis sp. CGMCC1149中克隆获得长度为1 212 bp的新型羟基化酶基因,并实现其在大肠杆菌中表达。BLAST序列分析表明该基因属于细胞色素P450基因超家族,并可编码一个含403氨基酸的蛋白,其分子量为44.8 kDa。二级结构预测结果表明：该蛋白包含有氧结合区、离子对结合区和血红素结合区等P450典型功能区。同时文中利用NADH、铁氧还蛋白和铁氧还蛋白还原酶建立了体外酶催化功能验证系统,首次实现无锡他汀转化底物洛伐他汀的体外羟基化。该结果为具有我国独立知识产权的无锡他汀大规模制备奠定了基础。     

谷氨酸棒杆菌耐受胁迫机制及工业鲁棒性合成生物学研究进展

谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum作为一般被认为具有生物安全性的一种模式工业微生物,不仅在发酵工业中成功用于大规模生产氨基酸,而且具有合成多种新型化学品的潜力。谷氨酸棒杆菌菌株在生产化合物时,经常会受到各种逆境条件的胁迫,从而降低细胞活力和生产性能。合成生物学的发展为提高谷氨酸棒杆菌的鲁棒性提供了新的技术手段。本文总结了谷氨酸棒杆菌应对发酵过程中各种胁迫的耐受机制。同时,重点介绍提高谷氨酸棒杆菌底盘细胞鲁棒性和耐受性的合成生物学新策略,包括挖掘新的抗逆元件、改造转录调控因子、利用适应性进化策略挖掘抗逆功能模块等。最后,从生物传感器、转录调控因子的筛选和设计、多种调控元件利用等方面对提高谷氨酸棒杆菌底盘细胞鲁棒性进行了展望。     

表达3-甾酮-△1-脱氢酶降解植物甾醇合成雄甾-1,4-二烯-3,17-二酮

构建分枝杆菌表达载体pMTac并在分枝杆菌Mycobacterium neoaurum JC-12中加强表达甾醇降解过程中的关键酶3-甾酮-△1-脱氢酶(KSDD)以提高雄甾-1,4-二烯-3,17-二铜(ADD)的产量。将p MF41的启动子pACE替换成tac启动子构建载体pMTac,在分枝杆菌中分别表达报告基因绿色荧光蛋白(GFP)和关键酶KSDD,通过GFP亮度和KSDD酶活验证tac启动子在M.neoaurum JC-12中的效果,并发酵验证加强表达KSDD对产物ADD的影响。荧光显微照片表明两个载体均能在M.neoaurum JC-12表达GFP,但tac启动子的效果比pACE强。酶活测定结果为重组菌M.neoaurum JC-12/pMTac-ksdd破碎细胞上清液中KSDD酶活比原始菌提高了6.53倍,比M.neoaurum JC-12/pMF41-ksdd提高了4.36倍。摇瓶发酵显示重组菌M.neoaurum JC-12/pMTac-ksdd ADD的产量比原始菌提高了22.2%,由4.86 g/L提高到5.94 g/L,而AD的产量由0.92 g/L减少到0.17 g/L,降低了81.5%;与M.neoaurum JC-12/p MF41-ksdd比,ADD产量提高了12.7%,AD降低了71.2%。以20 g/L植物甾醇为底物,5 L发酵罐中重组菌M.neoaurum JC-12/pMTac-ksdd的ADD产量达到10.28 g/L。结果表明,构建的新型表达载体pMTac适用于在M.neoaurum JC-12中加强表达关键酶KSDD,而且在M.neoaurum JC-12中过量表达KSDD有助于ADD产量的提高,为目前报道的发酵法利用新金色分枝杆菌降解植物甾醇合成ADD的最高水平。     

克雷伯杆菌产1,3-丙二醇关键酶甘油脱水酶的酶活分析方法研究

有氧条件下,建立了克雷伯杆菌破碎方法及其生产1,3-丙二醇代谢途径中关键酶甘油脱水酶的酶活测定方法。甘油脱水酶酶活测定时在超声时间25min,功率为300w的条件下最适破碎频率为破碎时间1s,停息时间4s;甘油脱水酶酶活测定所用磷酸盐缓冲液的最适浓度为0.045mol/L,最适pH值7.2。甘油脱水酶酶活测定反应的最佳温度为37℃,甘油脱水酶酶活测定反应液的最佳吸收波长为290nm。     

利用可重复使用的URA3标记基因建立热带假丝酵母基因敲除系统

热带假丝酵母(Candida tropicalis)在发酵工业中具有重要的应用潜力,但二倍体遗传结构和较低的遗传转化效率限制了其代谢工程育种技术的应用。建立可靠的遗传转化技术并高效的删除目的基因是代谢工程改造热带假丝酵母的重要前提。文章以C. tropicalis ATCC 20336为出发菌株,通过化学诱变筛选获得了尿嘧啶缺陷型突变株C. tropicalis XZX(ura3/ura3)。以丙酮酸脱羧酶(Pyruvate decarboxylase,PDC)基因作为靶基因构建了两端包含同源臂并在选择性标记C. tropicalis URA3(Orotidine-5′-phosphate decarboxylase,乳清酸核苷-5-磷酸脱羧酶)基因两侧同向插入源于沙门氏菌(Salmonella typhimurium)的hisG序列的基因敲除盒PDC1-hisG-URA3-hisG- PDC1(PHUHP),并转化宿主菌株C. tropicalis XZX,筛选获得PHUHP片段正确整合到染色体的PDC基因位点的转化子XZX02。在此基础上,将转化子XZX02涂布于5-FOA(5-氟乳清酸)选择培养基上,筛选得到URA3基因从PHUHP片段中丢失的营养缺陷型菌株XZX03。进一步构建了第2个PDC等位基因的删除表达盒PDCm- URA3-PDCm,并转化C. tropicalis XZX03菌株,获得转化子C. tropicalis XZX04。经PCR和DNA测序确认转化子C. tropicalis XZX04细胞染色体上的两个PDC等位基因被成功敲除。文章建立了一种营养缺陷型标记可重复使用的热带假丝酵母遗传转化技术,利用该技术成功敲除了细胞的PDC基因,为进一步利用代谢工程改造热带假丝酵母奠定了基础。     

REMI介导电转化产甘油假丝酵母

为了分离耐高渗和甘油代谢相关基因,以Zeocin为选择标记,利用REMI技术电转化产甘油假丝酵母Candida glycerinogenes。考察了7种限制性内切酶对转化的影响,选择HindIII进一步优化了转化的几个条件。结果表明,在OD600≈1.3时收集细胞,在1.5kV电压下,感受态细胞浓度为2.0×109个细胞/mL,100U Hind III时,能获得129个转化子/μgDNA的较高转化率,58%的转化子稳定,表明REMI技术适合于产甘油假丝酵母的转化。     

米黑根毛霉来源l-天冬酰胺酶的分子改造及高效表达

l-天冬酰胺酶能够水解l-天冬酰胺生成l-天冬氨酸和氨,广泛存在于微生物、植物和部分啮齿类动物的血清中,在医药和食品行业中都具有重要应用。然而无论是在医药还是在食品行业中,l-天冬酰胺酶依然存在一些问题,如催化效率低、热稳定性差、产量低等。文中通过理性设计及5′非翻译区 (5′ untranslated region, 5′ UTR)改造提高米黑根毛霉Rhizomucor miehei来源的l-天冬酰胺酶 (RmAsnase) 的酶活及蛋白表达量。结果显示,通过同源建模结合序列比对分析构建的6个突变菌株中,突变酶A344E比酶活较野生酶提高了1.5倍。继而构建食品安全菌株枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis 168/pMA5-A344E,对其进行UTR改造,获得重组菌株B. subtilis 168/pMA5 UTR-A344E,其酶活较原始菌提高了7.2倍,对重组菌B. subtilis 168/pMA5 UTR-A344E进行5 L罐研究,最终产量为489.1 U/mL。该酶活提高的重组菌株对l-天冬酰胺酶的工业化应用具有重要价值。     

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。