产甘油假丝酵母25S rRNA甲基转移酶BMT5对乙酸胁迫耐受的影响及应用

挖掘功能基因,提升菌株环境胁迫耐受性,对高效利用纤维素水解液产乙醇至关重要。产甘油假丝酵母(Candida glycerinogenes)是具有多重抗逆性的工业菌株,经基因组文库筛选,获得能够提高酵母乙酸耐受性的rRNA甲基转移酶基因CgBmt5。在酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中表达CgBmt5提高了乙酸耐受性,重组菌在胁迫下乙醇产量为60.5 g/L,提高17.7%。在C.glycerinogenes中过表达CgBmt5后,乙酸胁迫下乙醇产量提高17.6%,2种过表达的单位菌体产量、底物转化率、生产强度均有提高。进一步将C.glycerinogenes过表达菌应用于纤维素水解液发酵,乙醇产量提高71.7%,转化率提高65.0%,生产强度提高155.7%。乙酸胁迫下,过表达菌中脂质过氧化水平降低,且过氧化氢酶(catalase,CAT)和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性增加;转录分析发现,Pfk1和Arg3基因上调,Gpd1和Cox3下调,表明CgBmt5可能通过降低脂质过氧化水平、提高SOD和CAT活性及影响糖代谢和精氨酸合成促进菌株的乙酸耐受和胁迫下的发酵能力。该研究为酵母的胁迫耐受机制和纤维素乙醇技术发展提供了新的生物材料。

耐高渗压高产甘油的一个假丝酵母新种——产甘油假丝酵母

从自然标本中分离获得一高产甘油的菌株ＷＬ２００２５，仅发酵葡萄糖及微发酵蔗糖，能利用葡萄糖、蔗糖、乙醇生长，微利用甘油和柠檬酸，不利用肌醇、硝酸盐、赤藓醇、阿拉伯醇、甘露醇，与ＤＢＢ显色反应为阴性，可在含５００ｇ／Ｌ葡萄糖或１００ｍＬ／Ｌ醋酸的培养基中及４０℃下生长，可在水活度为０８９０～０９００的培养基中生长，出芽生殖，易形成“假丝酵母菌型”假菌丝，不进行有性生殖，线粒体ＤＮＡ的分子量为２０ｋｂ，是假丝酵母属的一个新种，定名为产甘油假丝酵母（ＣａｎｄｉｄａｇｌｙｃｅｒｏｌｇｅｎｅｓｉｓＺｈｕｇｅｓｐ．ｎｏｖ．）。

磷源对产甘油假丝酵母发酵生产甘油的影响及动力学分析

The effects of two different phosphorus sources, corn steep liquor（CSL）and KH2PO4, on the growth of Candida glycerinogenes and glycerol production in batch fermentations were investigated. The glucose consumption in glycerol production, cell growth, maintenance, and byproducts formation during different fermentation phases was also analyzed kinetically.The results showed that the influence of CSL on cell growth and glucose consumption was so prominent that even minor variation of its quality or quantity caused much difference in experimental results. It was also found that the relationship between glycerol synthesis and cell growth was very close with CSL as phosphorus source,while it was rather loose with KH2PO4 as phosphorus source. With the increase in phosphorus concentration,glucose consumption in cell growth and maintenance was kept basically stable during the whole fermentation process. However,glucose consumption in glycerol production gradually decreased,and the byproducts which were mainly formed during the rapid growth phase increased. Further studies indicated that the yield of glycerol on glucose reached the peak of 53.44 % and 52.76 % with 14 g·L -1 CSL and 0.57 g·L -1 KH2PO4, respectively.Accordingly the yield of byproducts also decreased to the minimum value of 5.84 % and 4.25 %, respectively.

根癌农杆菌介导工业化产甘油假丝酵母的遗传转化

通过构建质粒pCAM3300-zeocin,将其电击转化到根癌农杆菌LBA4404中.将含有目的质粒pCAM3300-zeocin的根癌农杆菌和工业化产甘油假丝酵母(Candida glycerinogenes)WL2002-5共培养,利用zeocin抗性基因为筛选标记,实现了pCAM3300-zeocin对产甘油假丝酵母的转化.并根据产甘油假丝酵母的生长特性,对转化条件进行了优化,在共培养时间为24h,产甘油假丝酵母和根癌农杆菌的细胞比例为1∶(500～1000)时最高转化率达到2个转化子/104个酵母细胞.初步建立了根癌农杆菌介导转化产甘油假丝酵母的转化方法.

玉米浆在产甘油假丝酵母甘油发酵中的作用机理

以复合培养基和合成培养基进行比较发酵,研究了玉米浆在产甘油假丝酵母甘油发酵过程中的作用机理。结果表明:玉米浆中的磷、氮和微量元素是影响产甘油假丝酵母甘油发酵的3个关键因素。当玉米浆磷浓度为121·75mg/L(玉米浆浓度为14g/L),最大甘油转化率达到53·44%。玉米浆磷可以调节EMP途径与HMP途径之间碳架代谢流的分布,随着玉米浆浓度进一步增加,过量磷能抑制HMP途径而激活EMP途径,因而复合培养基各项发酵参数的变化非常显著。玉米浆氮对磷的调节功能有协同作用,但并不是产甘油假丝酵母甘油发酵的理想氮源。玉米浆中的微量元素能够显著提高葡萄糖的消耗速率、促进菌体的生长和增加甘油的产量。

产甘油假丝酵母甘油代谢关键酶的研究

本文对产甘油假丝酵母的甘油代谢关键酶进行了研究,发现产甘油假丝酵母同化甘油能力极弱,少量葡萄糖明显改善其同化甘油的能力;线粒体3磷酸甘油脱氢酶受3磷酸甘油的强烈诱导,受葡萄糖代谢的阻遏。在甘油发酵过程中,产甘油假丝酵母胞浆3磷酸甘油脱氢酶酶活处于较高水平并在36h和60h时出现两次酶活高峰,其中第一次酶活峰值水平决定产甘油假丝酵母的甘油合成和积累水平,成为甘油高速积累期(18～48h)甘油合成的关键性的限速酶。在甘油发酵18～48h内,3磷酸甘油酯酶的酶活处于高水平,并在36h时出现酶活峰值;处于缓慢甘油积累阶段的48～72h间,3磷酸甘油酯酶已处于低水平表达,此时,3磷酸甘油酯酶则成为甘油合成的限速酶。产甘油假丝酵母稳定并高表达其胞浆3磷酸甘油脱氢酶基因并且其所表达的3磷酸甘油酯酶酶活远高于胞浆3磷酸甘油脱氢酶这一特征是其高产甘油根本所在。

产甘油假丝酵母与酿酒酵母胞浆3-磷酸甘油脱氢酶基因的功能比较

胞浆3-磷酸甘油脱氢酶(GPD)是酿酒酵母细胞甘油合成过程中的关键限速酶.尽管高产甘油菌株产甘油假丝酵母基因组中编码该酶的基因CgGPD已经被克隆出来,但是具体的功能,特别是与酿酒酵母GPD1和GPD2基因的功能比较值得进一步研究.以酿酒酵母渗透压敏感型的gpd1/gpd2和gpd1突变株为宿主,分别导入CgGPD、GPD1和GPD2基因,比较分析了CgGPD、GPD1和GPD2基因在高渗透压胁迫条件下和厌氧环境中的表达调控,及其对细胞甘油合成能力的影响.研究发现,GPD1基因受到渗透压诱导表达,GPD2基因在细胞厌氧条件下起着氧化还原平衡调节作用,而CgGPD基因不仅能够在渗透压胁迫条件下通过过量快速合成甘油调节渗透压平衡,而且能够在厌氧培养环境中互补GPD2基因的缺失,使gpd1/gpd2缺失突变株能够正常生长,同时提高了突变株的甘油合成能力.结果表明,CgGPD基因在gpd1/gpd2缺失突变株中既具有GPD1基因的功能,又能发挥GPD2基因的功能.

耐高渗压是产甘油假丝酵母甘油高产的基础

运用化学诱变法从产甘油假丝酵母获得１９株渗透压突变株。对其生理及发酵性能的研究结果显示，所有渗透压敏感突变株的甘油产率皆显著降低并巨大多数渗透压敏感突变株的糖利用速度减慢．耐渗透压性能提高突变株的糖利用率几乎与亲株相同而甘油发酵性能改变呈现多样性，突变株如ＷＬ－ＯｓｍＤ、ＷＬ－ＯｓｍＦ以及ＷＬ-ＯｓｍＨ甘油转化率极度降低而突变株ＷＬ－ＯｓｍＢ的甘油耗糖转化率接近亲株。

产甘油假丝酵母甘油合成关键酶编码基因的克隆

产甘油假丝酵母(Candida glycerinogenes)作为优良的甘油生产菌株已经成功应用于工业化生产。但相对于酿酒酵母,该菌株的耐高渗机理和甘油代谢的分子机制还不甚清楚。本文根据已公布的3-磷酸甘油脱氢酶基因的序列信息,设计出一组寡核苷酸,再运用简并PCR结合反向PCR技术从C.glycerinogenes的基因组DNA中获得了4900 bp的核苷酸序列,递交GenBank(No.EU186536)。该序列包含完整的编码胞浆3-磷酸甘油脱氢酶编码基因(CgGPD)开放阅读框及其上、下游调控序列。1167bp的开放阅读框编码388个氨基酸残基的蛋白。所演绎出氨基酸序列分析比对结果表明该基因产物的序列具有典型的胞浆3-磷酸甘油脱氢酶结构特征,但与已鉴定的相关基因存在中等程度的同源性并在相应的辅酶催化位点和底物结合位点区域具有高度的保守性,在氨基酸水平上与安格斯毕赤酵母的相似性最高,达到70.9%。该基因在Saccharomy cescerevisiae W303A中异源表达能够显著提高细胞的甘油合成能力。

一些氨基酸对产甘油假丝酵母甘油生产的促进作用

以EMP途径与TCA循环中间代谢物的添加为对照,研究在尿素为氮源的产甘油假丝酵母发酵过程中添加氨基酸对甘油产量的影响。结果表明:对甘油产量有强促进作用的氨基酸有谷氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、天冬酰胺、甘氨酸、赖氨酸、酪氨酸、脯氨酸、组氨酸和丝氨酸,其最适添加浓度在0.26～0.45g/L之间,丙酮酸、α_酮戊二酸、草酰乙酸、柠檬酸和琥珀酸的最适添加浓度在0.24～0.42g/L之间;赖氨酸最适于在0h添加,丙酮酸和草酰乙酸在第14h,谷氨酸、谷氨酰胺、组氨酸、脯氨酸、天冬氨酸、酪氨酸、甘氨酸、α_酮戊二酸和琥珀酸在第30h,天冬酰胺、丝氨酸和柠檬酸在第48h;在最适条件下添加这些促进剂,甘油产量均呈显著增加趋势,转化率和增加率分别达到60%和16%以上。氨基酸的作用机理为其脱氨形成的碳骨架经特定的分解代谢途径进入TCA循环,使其强化,导致碳代谢流在3_磷酸甘油醛节点处发生转移,使甘油合成途径的代谢流增加。

高强度产甘油假丝酵母突变株的选育及其发酵性状

以一株产甘油假丝酵母为出发菌株 ,采用化学诱变 ,通过玉米浆和外加无机磷组成的磷质量浓度为 3 40mg/L的磷源选择培养基 ,得到了一株发酵时间较原菌株缩短了 8h左右 ,产甘油能力 (甘油产量约为 1 40 g/L ,甘油转化率为 5 6% )和原菌株相似的突变株 ,并研究了突变株的发酵性状 .

温度对产甘油假丝酵母产甘油发酵过程的影响

研究了温度对产甘油假丝酵母分批发酵生产甘油及其生长动力学的影响。结果表明:在温度为28—36℃时,由于发酵周期随温度升高而显著缩短,导致细胞生长、甘油合成和葡萄糖消耗的比速率也随温度升高逐渐增加;当温度为32℃时最适于产甘油假丝酵母合成甘油,甘油产量、得率和产率分别达到120.3 g/L,0.523 g/g,1.43 g/(L.h);应用Logistic方程对细胞生长动力学进行了模拟,获得不同温度下的生长动力学参数;根据细胞生长动力学参数,得到28—36℃时甘油分批发酵过程中细胞质量浓度同温度、时间之间的一般关系式,经验证该模型在28—36℃范围内可用于预测不同温度下的细胞生长情况。

产甘油假丝酵母细胞回用对甘油生产的影响

研究了产甘油假丝酵母细胞回用生产甘油的反复分批发酵。实验结果表明：第一级发酵培养基KH2PO4浓度为0．4g·L^-1，回用培养基的最适KH2PO4浓度为0．1g·L^-1，当上一批次发酵液中葡萄糖浓度降至10g·L^-1以下时，酵母细胞不经洗涤即可回用；经过15个批次的反复分批发酵过程，甘油的平均产量、平均得率和平均生产能力分别达到138．69g·L^-1、60．17％和2．31g·L^-1·h^-1，分别比第一级发酵结果增加了15．74％、15．48％和39．16％；但回用至第15次时，菌体出现严重衰退，因此回用周期以12～14次为宜。

溶氧对Candidaglycerinogenes产甘油发酵过程的影响

研究了溶氧浓度对产甘油假丝酵母分批发酵生产甘油过程的影响。实验结果表明:当溶氧浓度控制在30%时,C.glycerinogenes的甘油产量、得率和产率达到最高,分别为120.7 g/L、0.575g/g和1.69g/(L.h),而糖酵解代谢副产物形成最少。当溶氧浓度为10%时,发酵过程呈现出"巴斯德效应"的特征,生成的酵解代谢副产物维持在较高水平。在快速生长阶段,随着溶氧从10%增加到60%,细胞呼吸类型表现为从厌氧呼吸向好氧呼吸转变,酵解代谢副产物依次减少。在生长稳定期,控制的溶氧浓度越高,酵解代谢副产物乙醇、乙酸等的生成就越少。分别选用Logistic方程、Luedeking-Piret方程和Luedeking-Piret-like方程,能较好地模拟细胞生长、甘油合成和葡萄糖消耗的动力学过程,并用实验得到了验证。

产甘油假丝酵母胞浆3-磷酸甘油脱氢酶编码基因的克隆

当酵母细胞处于高渗压环境时，甘油被诱导合成以提高其胞内渗透压，这一过程受ＨＯＧ途径的调控。ＧＰＤ１基因为ＨＯＧ途径的重要靶基因，高效表达使胞内３磷酸甘油脱氢酶酶活水平提高可极大地提高甘油的产量。本研究将产甘油假丝酵母（Ｃａｎｄｉｄａｇｌｙｃｅｒｏｌｏｇｅｎｅｓｉｓ）染色体ＤＮＡ经Ｓａｕ３ＡＩ部分酶解后的５～１０ｋｂＤＮＡ片段与经ＢａｍＨＩ线性化及ＣＩＰ处理过的酵母大肠杆菌穿梭质粒ＹＥｐ５１连接，以大肠杆菌ＤＨ５α为受体，构建产甘油假丝酵母的染色体基因文库。通过遗传互补法，在含５０ｇ／Ｌ氯化钠的培养基上筛选出１５个转化子，对转化子０６０１进行了进一步鉴定，转化子０６０１所含质粒ＹＥｐ０６０１带有ＹＥｐ５１的标记并可以消除Ｓａｃｃｂａｒｏｍｙｃｅｓｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ６４２菌株由于其ＧＰＤ１，ＧＰＤ２两基因的缺失突变而表现出的渗透压敏感性。

运用穿梭载体建立产甘油假丝酵母质粒基因文库

产甘油假丝酵母WL2002─5既具有耐高渗压性能，又能以葡萄糖为原材料高产甘油，且耐高渗压性能与高产甘油的能力相关。本研究以大肠杆菌—酿酒酵母穿梭质粒YEp51为载体，通过对产甘油假丝酵母WL2002─5高分子量染色体DNA的提取、Sau3AI部分酶切、体外重组等建立起产甘油假丝酵母WL2002—5的质粒基因文库，库容为5．3×105，已满足对WL2002—5某一特定基因的克隆。

产甘油假丝酵母在丙三醇发酵过程中的有机酸种类及其变化

HPLC分析研究了产甘油假丝酵母 (Candidaglycerolgenesis)发酵过程中有机酸的种类和含量变化 .C .glycerolgenesis主要在菌体生长期产生有机酸 ,使发酵液总酸增加 .确定了发酵过程形成的有机酸含有乙酸、乳酸、丙酮酸、酮戊二酸、苹果酸等 .建立了HPLC测定有机酸的方法 .分析发现 :有机酸中乙酸质量浓度最高约为 1.6 g/L .随着发酵时间的延长 ,发酵液总酸含量逐渐下降 ,而乙酸和α -酮戊二酸在发酵后期有所回升 .

不同发酵条件下产甘油假丝酵母有机酸代谢的研究

产甘油假丝酵母 (Candidaglycerolgenesis)发酵产生的有机酸对丙三醇产品质量和产率均有影响。发现在发酵其它条件恒定 ,装液比和玉米浆浓度增加时 ,发酵液总酸是递增的。在装液比为 0 2和玉米浆浓度为 8g L时 ,丙酮酸和乳酸在细胞生长期可分别积累达 4 1g L和 1 0g L ,比正常发酵时增加 2倍以上 ,丙三醇产率也低 ;然而 ,装液比为 0 0 8和玉米浆浓度为 4g L时 ,丙酮酸和乳酸产生较低 ,丙三醇产率较高 ,但乙酸积累比供氧不足时高 ,可达 2 6g L。发酵过程中有机酸被细胞代谢 ,含量逐渐下降 ,如在初糖浓度为 1 0 0g L时 ,有机酸在细胞生长期积累至高峰后 ,丙三醇和有机酸随之均降低至较低含量 ,并且丙酮酸或乳酸可以转化为乙酸。此外 ,在外加一些添加剂时对其产生有机酸也有影响 ,如添加 1 %油酸和VB1时可以降低乙酸的积累 ,同时增加丙酮酸的含量 ,丙三醇产量也有所增加 ;而丙酮酸结构类似物氟代丙酮酸和亚硫酸盐促进乙酸的产生 ,使酮戊二酸合成减少 ,丙三醇产量约增加 2 0 %。

产甘油假丝酵母胞浆3-磷酸甘油脱氢酶基因(CgGPD)功能分析

【目的】从高产甘油生产菌株产甘油假丝酵母(Candida glycerinogenes)基因组中克隆了NAD^+依赖3-磷酸甘油脱氢酶编码基因(CgGPD),但是该基因及其上游调控序列具体的功能还是未知的。本文研究了CgGPD基因及其上游调控序列的功能。【方法】本文以酿酒酵母(Saccharomyces cere- visiae)及其渗透压敏感型突变株为宿主,构建3种不同的酵母表达载体导人酵母细胞,研究了不同酵母转化子在渗透压胁迫条件下CgGPD基因表达对细胞的耐高渗透压胁迫应答及其细胞的甘油合成能力的影响。【结果】实验结果表明无论是以来源于S.cerevisiae的TPI启动子还是来源于CgGPD基因的启动子,过量表达CgGPD基因的转化子均能够显著加速葡萄糖消耗速度和提高甘油合成能力,在gpd1/gpd2突变株中表达CgGPD基因能够消除细胞对外界高渗透压的敏感性,同时转化子胞内甘油大量积累。【结论】CgGPD基因在野生型酵母S.cerevisiae W303-1A表达显著提高细胞的甘油合成能力,在gpd/1gpd2突变株中能够互补GPD1基因的功能,CgGPD基因表达受渗透压诱导调控。

产甘油假丝酵母稳定期酸胁迫耐受性研究

研究了产甘油假丝酵母稳定期的酸胁迫耐受性。结果表明,在一定的酸性pH值范围内,pH值降低而酸胁迫压力增加,可以促进产甘油假丝酵母胞内聚磷酸盐积累,从而保证细胞免受酸胁迫的过度影响,维持较高甘油生产水平所需的活细胞数;但过高的酸性环境会严重损伤细胞,降低细胞合成聚磷酸盐的能力,从而使细胞存活率和甘油产量下降。产甘油假丝酵母胞内积累聚磷酸盐,可以增强其对营养饥饿和强酸胁迫等的抵抗力,从而提高其在生长稳定期的存活率。