停滞棒杆菌遗传改造工具和启动子文库构建

停滞棒杆菌是用于5′-肌苷酸生产的重要微生物底盘。为利用代谢工程技术来创建和优化高效细胞工厂,在停滞棒杆菌中构建遗传改造工具和启动子文库十分必要。本研究使用pCG1复制子构建了大肠杆菌-停滞棒杆菌穿梭载体,建立停滞棒杆菌外源DNA转化方法、基于自杀质粒同源重组的基因敲除方法,最终形成了停滞棒杆菌异源基因稳定表达系统;停滞棒杆菌游离质粒的电转化效率达到(2.3±0.3)×10^(3)cfu/μg;构建停滞棒杆菌的合成启动子文库,筛选得到24个强度差异达30倍的启动子元件,用于停滞棒杆菌中的基因精细表达调控。

两阶段pH控制和碳氮源协同补加促进谷氨酸棒杆菌高产L-谷氨酰胺

为提高谷氨酸棒杆菌发酵产L-谷氨酰胺产量、糖酸转化率、生产强度等技术指标,该文通过响应面法优化了摇瓶发酵培养基中葡萄糖、(NH_(4))_(2)SO_(4)和玉米浆含量,并利用50 L发酵罐进行分批发酵,构建了菌体生长、底物消耗和产物生成动力学模型,进而在50 L发酵罐中采用两阶段控制pH策略,并通过补加葡萄糖和(NH_(4))_(2)SO_(4),协同控制发酵液中碳氮源浓度,促进菌体高效合成L-谷氨酰胺。结果表明,优化后发酵培养基中葡萄糖、(NH_(4))_(2)SO_(4)和玉米浆含量分别为167、61、31 g/L,摇瓶发酵L-谷氨酰胺产量达到38.13 g/L,较优化前提高了34.12%;50 L发酵罐分批发酵80 h后L-谷氨酰胺产量达42.06 g/L,糖酸转化率达到25.85%,生产强度为0.53 g/(L·h);在50 L发酵罐中基于两阶段pH控制的碳氮源协同补加策略,显著促进了谷氨酸棒杆菌高产L-谷氨酰胺,发酵周期缩短至52 h,L-谷氨酰胺产量达68.01 g/L,糖酸转化率达33.93%,生产强度为1.31 g/(L·h)。该研究对促进L-谷氨酰胺的工业化生产具有重要参考价值。

表达元件优化促进重组胶原蛋白在谷氨酸棒杆菌中的表达

重组胶原蛋白是一种具有广泛应用潜力的生物材料,近年来引起了生物医学、组织工程等众多领域的关注。胶原蛋白的3股螺旋结构赋予其独特的生物学功能和生物相容性,但也增加了其在微生物系统中表达的复杂性。该研究以细菌胶原蛋白V-B作为模式蛋白,通过对表达元件的优化,促进重组胶原蛋白在谷氨酸棒杆菌中的表达。首先通过启动子筛选和发酵时长优化,获得介导V-B表达的最优启动子tac-R0。接着利用RBS calculator设计核糖体结合位点(ribosomal binding site,RBS)和间隔序列(aligned spacing,AS)的突变文库,得到与tac-R0启动子搭配组合的最优RBS和AS,使V-B的产量提高至514 mg/L。此外,通过多基因表达盒的串联组合策略,将多个目的基因串联,最终V-B的产量较初始水平提高了8.4倍,达697 mg/L,该研究为重组胶原蛋白的工业化生产提供了基础。

血液透析患者临时导管纹带棒杆菌感染病例一例并文献复习

中心静脉导管是血液透析和其他血液净化疗法的血管通路之一,感染是临时性血管通路最常见的并发症之一,本研究报道一例血液透析患者因反复发热,行外周血及导管血培养均检出纹带棒杆菌,经抗感染及人免疫球蛋白治疗后,病情好转,出院后再未出现发热。

谷氨酸棒杆菌人工核糖体结合位点(RBS)文库的建立与应用

核糖体结合位点(ribosome binding site,RBS)是一种重要的生物控制元件,是实现基因表达精细调控的重要工具,在微生物代谢工程和合成生物学中具有广泛的应用。谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)是一种重要的工业微生物,被广泛应用于多种氨基酸和有机酸的工业化发酵生产。然而目前,关于谷氨酸棒杆菌RBS元件文库的报道仍然较少。该研究基于谷氨酸棒杆菌RBS序列基本特征,设计构建了一个随机RBS文库。利用流式细胞分选技术和96孔板筛选技术,建立了RBS文库高通量筛选方法。通过2步筛选,构建了一个调控范围广,覆盖范围均匀的人工RBS元件文库,调控范围达到29.04倍。利用α-淀粉酶表达系统对构建的人工RBS文库进行测试和表征,结果表明人工RBS文库具有较高的稳定性和通用性。随后该研究将人工RBS文库应用于L-高丝氨酸生物合成途径的调控优化。利用不同强度RBS元件对L-高丝氨酸合成途径关键酶LysCr和Homr进行精细表达调控,获得了具有高效L-高丝氨酸合成能力的最佳组合,L-高丝氨酸产量到达12.7 g/L,比野生型菌株高丝氨酸含量提高了3.6倍。综上所述,该研究构建了一个调控范围广、稳定性高的谷氨酸棒杆菌人工RBS文库,为谷氨酸棒杆菌代谢工程改造和基因精细表达调控提供了有效的控制元件。

电流刺激对钝齿棒杆菌厌氧条件下代谢通量分布的影响

研究电流刺激对钝齿棒杆菌厌氧发酵特性的影响,结果显示电流刺激对葡萄糖的代谢及琥珀酸合成具有显著促进作用。当施加-5 mA电流时,与0 mA(对照组)相比,葡萄糖消耗速率提升了27.4%,发酵液中琥珀酸质量浓度增加了109.4%,琥珀酸产量增加了62.5%,磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway,HMP)的代谢流量增加了150.6%,胞内NADH/NAD+值增加了30.8%。代谢通量计算及关键酶基因表达水平分析结果表明,6-磷酸葡萄糖节点是影响琥珀酸产量的关键节点。电流刺激导致6-磷酸葡萄糖脱氢酶基因与磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因表达水平上调、HMP与琥珀酸合成途径代谢流量增加,是琥珀酸产量升高的主要原因。本研究结果可为发酵工程与电化学学科的进一步交叉融合提供技术参考。

白喉棒杆菌核酸检测试剂用国家参考品的研制

目的:研制白喉棒杆菌核酸检测试剂用国家参考品。方法:将6株白喉棒杆菌和10株非白喉棒杆菌代表性菌株在各自适宜的环境下培养,经菌株鉴定后,制备灭活菌液,对候选参考品进行均匀性和稳定性的评估以及准确性、特异性、重复性和最低检出限的验证研究,并组织3家实验室进行协作标定。结果:研制出白喉棒杆菌核酸检测试剂用候选参考品,由6个阳性参考品、10个阴性参考品、最低检出限参考品和重复性参考品组成。证实该候选参考品均匀性及稳定性良好,准确性、特异性及重复性好,最低检出限可达1.0×10~3~1.0×10~4个菌·m L^(-1)。协作标定结果也进一步表明阳性、阴性、重复性和最低检出限候选参考品均符合国家参考品的各项要求。结论:研制出的白喉棒杆菌核酸检测试剂参考品,可用于相关试剂盒的质量控制和评价。

多基因同步调控结合高通量筛选构建高产L-苯丙氨酸的谷氨酸棒杆菌工程菌株

L-苯丙氨酸(L-Phe)是重要的食品及医药中间体,但由于其生物合成途径较长且调控机制复杂,仅依靠质粒或者周期漫长的基因组逐轮改造,难以实现各个模块之间的通量平衡,在一定程度上限制了其产量的进一步提升。本研究将L-Phe生物合成途径中的7个携带组成型启动子PF11及核糖体结合位点(ribosome binding site,RBS)为GGGGGGGG的关键基因ppsA、tktA、aroF^(fbr)、aroE、aroL、pheA^(fbr)和tyrB,整合到谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)的基因组中;利用课题组前期研发的基于CRISPR/Cas系统和胞苷脱氨酶的无模板基因表达调控技术(base editor-targeted and template-free expression regulation,BETTER),对每个关键基因的RBS进行同步编辑,生成富含G/A的RBS突变文库;利用前期开发的荧光蛋白型L-Phe生物传感器结合液滴微流控系统(droplet microfluidics)对RBS突变文库进行高通量筛选。最终,从大约7万个RBS突变文库中筛选到4株L-Phe产量提升不同程度的突变菌株,其72 h摇瓶发酵产量分别为2.06、1.30、4.42和7.44 mmol/L,相比对照菌株C.g-2(0.6 mmol/L)分别提高了2.43、1.17、6.37、11.40倍。利用碱基编辑器同时调节多基因的表达水平并筛选组合文库,可以为L-Phe工程育种提供一种可行策略。

基于响应面法优化谷氨酸棒杆菌发酵条件

该研究以谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)P169为研究对象,以谷氨酸产量为主要评价指标,采用单因素试验和响应面法对其发酵条件进行优化,并进行摇瓶和20 L罐分批补料发酵验证。结果表明,谷氨酸棒杆菌P169产谷氨酸的最佳发酵条件为酵母粉41.0 g/L、葡萄糖27.0 g/L、尿素12.0 g/L和pH 7.0。在此优化条件下,谷氨酸产量达25.1 g/L,比优化前(16.5 g/L)提高了52.1%。以此为基料进行20 L罐分批补料发酵,谷氨酸产量达155 g/L,比优化前(142 g/L)提高了9.2%。该研究为提高谷氨酸棒杆菌谷氨酸产量提供了一种技术解决方案。

系统代谢工程改造谷氨酸棒杆菌高产L-丙氨酸

L-丙氨酸是一种重要的天然氨基酸,广泛应用于医药、食品、饲料等领域。目前,L-丙氨酸主要通过大肠杆菌来生产,开发安全、工业稳定的谷氨酸棒杆菌生产菌株具有重要的意义。该研究筛选了外源丙氨酸脱氢酶,在不以其他氨基酸为氨基供体的条件下高效率合成L-丙氨酸。强化非磷酸转移酶系统(phosphotransferase system,PTS)葡萄糖摄取途径,极大地促进了细胞的生长和L-丙氨酸的合成。引入异源Entner-Dondoroff途径,通过4步反应即可实现糖酵解途径10步反应供应前体物丙酮酸,进一步提高了L-丙氨酸的产量。此外,为了避免抗生素的使用和保证菌株的遗传稳定性,将关键基因整合到基因组上。最终工程菌株在5 L发酵罐发酵48 h产生104 g/L L-丙氨酸。该研究为利用谷氨酸棒杆菌工业化生产L-丙氨酸奠定了基础,同时为其他丙酮酸族产品的代谢工程研究提供了参考。

谷氨酸棒杆菌中L-半胱氨酸外排蛋白的鉴定及应用

L-半胱氨酸是一种重要的含硫氨基酸,被广泛应用于食品,医药,化妆品等行业。有效的外排蛋白不仅可以降低反馈抑制和细胞毒性,还能提高菌体的生产能力。在细胞工厂的构建中发挥重要作用。该研究基于转录组测序分析,在谷氨酸棒杆菌中发现一种新的L-半胱氨酸外排蛋白Cg1298-Cg1299。当添加7.5 mmol/L L-半胱氨酸时,cg1298-cg1299缺失菌株的生长比对照菌株降低了约24.2%,而回补菌株恢复了对半胱氨酸的抗性。利用Cys-Tyr二肽进一步检测Cg1298-Cg1299对半胱氨酸的外排能力,发现cg1298-cg1299双敲菌株的L-半胱氨酸外排能力下降了26.3%。最后,在L-半胱氨酸底盘菌中过表达cg1298-cg1299使得L-半胱氨酸产量提高17.1%。综上所述,Cg1298-Cg1299是谷氨酸棒杆菌中一种新的L-半胱氨酸外排蛋白,其显著增强了谷氨酸棒杆菌对L-半胱氨酸的耐受性,并提高了L-半胱氨酸的生产能力,为将来构建高产L-半胱氨酸的细胞工厂提供了一个有效靶点。

利用代谢工程改造谷氨酸棒杆菌产丙酮酸研究

丙酮酸是一种重要的有机酸,可以作为前体物质,参与合成多种有机化合物,在生物体的能量代谢中发挥着重要作用。为提高丙酮酸产量,选择利用代谢工程改造谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)生产丙酮酸。利用同源重组的方法,依次敲除谷氨酸棒杆菌中与丙酮酸代谢支流相关的5个关键基因(丙酮酸醌氧化还原酶基因pqo、丙酮酸羧化酶基因pyc、转氨酶基因alaT、缬氨酸-丙酮酸氨基转移酶基因avtA、丙酮酸脱氢酶基因aceE),摇瓶发酵72 h后丙酮酸的产量达到14.64 g/L。通过过表达编码转酮醇酶基因tkt、转醛酶基因tal、磷酸烯醇丙酮酸羧激酶基因pck,增加合成丙酮酸前体物质的供应。最终,复合培养基摇瓶发酵72 h后,发酵液中丙酮酸的产量达到15.39 g/L,与野生型菌株相比提高了28倍。研究旨在为利用微生物发酵生产丙酮酸提供一定的理论参考。

基于非靶向代谢组学分析谷氨酸棒杆菌分泌表达外源蛋白代谢差异

谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)由于其无内毒素以及有完善的分泌系统可用于分泌生产重组医药蛋白,被认为是很有潜力的外源蛋白表达宿主。外源蛋白分泌表达涉及蛋白合成、运输以及分泌等多个耗能过程,能量代谢的扰动引起宿主细胞整体代谢水平的变化。该研究以C.glutamicum CGMCC1.15647菌株为研究对象,利用非靶向代谢组学比较分泌表达外源蛋白对菌株自身代谢的影响,发现在分泌表达外源蛋白组中共有176个差异代谢物,其中79个代谢物显著上调表达,97个代谢物显著下调表达,关键代谢物为D-甘露糖-6-磷酸、叶酸、肌苷、L-色氨酸、L-苯丙氨酸等。差异代谢物通路分析表示,分泌表达外源蛋白会导致中心代谢加剧和多种氨基酸特别是芳香族氨基酸代谢的变化,以满足蛋白合成和分泌对能量的需求,同时保护胞内蛋白以维持菌体正常生长。该文从代谢水平上探究C.glutamicum CGMCC1.15647分泌外源蛋白过程中的关键代谢物及代谢调控网络,对于优化C.glutamicum细胞中代谢流使之趋向于有利于蛋白分泌表达有重要的研究意义。

谷氨酸棒杆菌脂肪酸合成酶fasA基因的异源表达对脂肪酸合成的影响

旨在为脂肪酸高产菌株的筛选和构建奠定理论基础,研究谷氨酸棒杆菌脂肪酸合成酶A(FasA)对大肠杆菌脂肪酸合成的影响,利用生物信息学软件预测分析了FasA的性质并构建过表达载体pXMJ19-fasA,转化至大肠杆菌进行表达,对表达诱导剂异丙基-β-D-硫代吡喃半乳糖苷(IPTG)浓度进行考察,并测定了异源表达后的脂肪酸组成。结果表明,重组菌株在IPTG浓度为1 mmol/L下诱导20 h,棕榈油酸和油酸产量分别达到1.735、2.325 mg/g,与对照菌株相比分别提高了53.95%和59.68%。研究结果说明FasA对大肠杆菌合成棕榈油酸和油酸有促进作用。

基于代谢途径改造谷氨酸棒杆菌生产L-缬氨酸

L-缬氨酸是一种重要的支链氨基酸,随着市场对其需求量的不断提升,进一步提高L-缬氨酸的产量和糖酸转化率具有重要意义。在该研究中,使用实验室保藏的谷氨酸棒杆菌VHL-1作为出发菌株,通过对L-缬氨酸合成路径进行代谢改造显著提高了L-缬氨酸的产量和丙酮酸前体物的供应。首先,通过敲除ldh(编码乳酸脱氢酶)、poxB(编码丙酮酸氧化酶)、pyc(编码丙酮酸羧化酶)基因以及弱化alaT(编码丙氨酸转氨酶)基因表达来实现丙酮酸的富集。其次,通过强启动子P_(tuf)替换ilvBNC操纵子原始启动子并增加ilvBN(编码乙酰羟酸合酶)基因拷贝数来增强丙酮酸向L-缬氨酸合成的碳代谢流。最后,通过过表达支链氨基酸转运蛋白编码基因brnFE和调节蛋白编码基因lrp增强L-缬氨酸胞外输出效率。最终构建的重组菌株VHL-9在5 L生物反应器中进行补料分批培养,L-缬氨酸产量可到达(82.5±5.6)g/L,生产强度为1.15 g/(L·h),糖酸转化率为0.302 g/g葡萄糖。

生物制造氨基酸的谷氨酸棒杆菌细胞工厂转运工程研究进展

氨基酸作为生物制造产业中的重要功能性产品之一,已广泛应用于食品、医药、饲料、化工等领域。谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)是生物合成氨基酸最重要的微生物菌株。因此,构建高效的谷氨酸棒杆菌微生物细胞工厂对高产量、高效率和高转化率地生产氨基酸意义重大。高效生物制造氨基酸的微生物细胞工厂不仅需要具有强大的合成代谢能力,还需要高效的转运能力。文章从谷氨酸棒杆菌的底物转运和氨基酸的分泌转运以及氨基酸的再吸收等方面对近年来的研究进展进行综述,并展望了未来发展方向。

基因编辑技术在谷氨酸棒杆菌中的应用研究进展

谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)是一种绿色高效的底盘微生物,可用于生产大宗氨基酸、精细化学品、营养保健品等众多高附加值产品。基因编辑技术作为一种有效的调控菌株代谢网络的手段,在谷氨酸棒杆菌合成生物学研究、理性改造高产菌株等方面发挥着巨大潜力。然而,谷氨酸棒杆菌的遗传操作仍存在挑战。该文综述了谷氨酸棒杆菌常用基因编辑技术,详细阐述了传统基因编辑技术、规律成簇间隔短回文重复序列及其相关的蛋白(CRISPR/Cas)介导的基因编辑技术及CRISPR干扰(CRISPRi)技术的作用机制及其在谷氨酸棒杆菌中的应用研究进展。旨在为基因编辑技术在谷氨酸棒杆菌菌株设计和生产高附加值产品方面提供依据。

谷氨酸棒杆菌中胞嘧啶碱基编辑工具的PAM拓展

碱基编辑是一种新兴的基因组编辑技术,具有不产生双键断裂、不依赖同源重组且不需要添加外源模板的优势,在真核及原核生物中得到了广泛的开发与应用。为了进一步扩展碱基编辑技术在谷氨酸棒杆菌中的基因组覆盖范围,本研究将3种PAM限制较为宽松的新型Cas9突变体应用于胞嘧啶碱基编辑工具中,分别为近乎PAMless的SpRY突变体(NRN>NYN PAM)、SpG突变体(NGN PAM),以及ScCas9^(++)蛋白(NNG PAM),实现对碱基编辑工具的PAM拓展。结合SpRY突变体的碱基编辑系统展示出了更宽松的PAM识别,除对CAT、CAC、TAA PAM的位点完全没有编辑外,对其他NRN种类的PAM位点均出现了不同程度的识别,但整体编辑效率低,难以推广应用;结合SpG突变体的碱基编辑系统可实现对所有NGN种类PAM位点的编辑,且编辑效率优于SpRY突变体,但对NGG PAM位点的编辑,相比原始Cas9蛋白,编辑效率下降9.3%-55.9%;结合ScCas9^(++)蛋白的碱基编辑系统,除对TCG、CTG PAM的基因组位点没有编辑外,可实现对其他测试NNG PAM的基因组位点编辑,大部分位点基因组编辑效率均较高,最高可达100%。本研究的开展不仅有助于碱基编辑工具在谷氨酸棒杆菌中覆盖更多的基因组位点,同时也为其他基于CRISPR/Cas系统的基因组编辑工具的PAM拓展提供有力的参考。

解除硝酸盐呼吸和氮通量限制对钝齿棒杆菌产精氨酸的影响

精氨酸广泛应用于食品、医药和工业领域中,其生产方式主要是微生物发酵法。钝齿棒状杆菌(Corynebacterium crenatum)是精氨酸生产的重要工程菌株。该文针对课题组前期构建的钝齿棒杆菌(CCM01)进行代谢改造,探究了arnR和cgl 2482的敲除对钝齿棒杆菌产精氨酸的影响。采用无痕敲除方法构建工程菌株并对其进行摇瓶发酵,测定菌体生长量、L-精氨酸产量、葡萄糖消耗量考察菌株产L-精氨酸的影响。硝酸盐能提高钝齿棒杆菌在氧气不足时的生长率,并且arnR的敲除有助于L-精氨酸的生产,arnR敲除菌株CCM02较对照菌株产量提高了8.58%,且当硝酸盐浓度在1.5 mmol/L时对积累L-精氨酸最为有利,产量达到17.09 g/L;cgl 2482的敲除有助于氮源流入精氨酸合成途径,其敲除菌株CCM03精氨酸产量达到了17.88 g,较对照提高了4.9%;最终在CCM03发酵中添加1 g/L的尿素、50 g/L的谷氨酸钠以及1.5 mmol/L的硝酸盐时,L-精氨酸产量达到22.25 g/L,较CCM01提高了46.8%。

谷氨酸棒杆菌核苷水解酶的酶学性质研究

核苷水解酶是一类催化核苷生成D-核糖及嘌呤或嘧啶的酶,广泛存在于除哺乳动物以外的生物中。该研究表达并纯化了3个来源于谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum ATCC 13032的核苷水解酶Cgl1364、Cgl1977和Cgl2835并考察其酶学特性。酶学实验结果表明,重组Cgl1364、Cgl1977和Cgl2835均具有核苷水解酶活性;能够催化腺苷、胞苷、鸟苷、黄苷、肌苷和尿苷生成D-核糖和相应的嘌呤或嘧啶,但底物特异性有所差异;重组酶在15~55℃以及pH 4~10条件下均具有活性,其最适温度和pH分别为35℃和7.0;Cgl1977的热稳定性优于Cgl1364和Cgl2835。利用BL-cgl1364静息细胞为酶源催化水解尿苷,底物转化率达到89.5%。该研究首次报道了谷氨酸棒杆菌核苷水解酶的功能和性质,可为D-核糖、嘌呤及嘧啶的“一锅法”生物合成提供重要参考。