谷氨酸棒状杆菌合成L-高丝氨酸的代谢改造与发酵条件探究

目的:本研究以谷氨酸棒状杆菌ATCC 13032为底盘细胞,构建1株L-高丝氨酸合成菌株并分析溶氧环境对其产物合成的影响。方法:首先通过外源添加0~40 g/L的L-高丝氨酸分析谷氨酸棒状杆菌的产物耐受性;随后,通过基因thrB敲除阻断L-高丝氨酸的降解途径,获得谷氨酸棒状杆菌重组菌H1;在此基础上利用挡板摇瓶进行细胞培养以增强发酵过程中氧气供给能力。结果:与大肠杆菌相比,谷氨酸棒状杆菌对L-高丝氨酸具有更强耐受性。研究中通过敲除基因thrB构建了L-苏氨酸缺陷型谷氨酸棒状杆菌重组菌H1,发现基础培养基中加入0.5 g/L的L-苏氨酸后,该重组菌生长恢复正常水平。挡板摇瓶条件下重组菌H1的L-高丝氨酸产量增加至836.7 mg/L,较普通摇瓶产量44.6 mg/L提高了17.76倍。结论:通过阻断L-苏氨酸的合成,成功构建L-高丝氨酸合成菌株谷氨酸棒状杆菌H1,并且发现利用挡板摇瓶增强发酵过程中供氧能力是促进谷氨酸棒状杆菌高效合成L-高丝氨酸的有效手段,为后续提高L-高丝氨酸发酵产量提供了参考。

谷氨酸棒状杆菌高丝氨酸脱氢酶单突变体酶学性质表征

通过定点突变技术,提高高丝氨酸脱氢酶(homoserine dehydrogenase,HSD)的催化活性,减少通路中代谢产物对其产生的反馈抑制和阻遏作用。对HSD与底物高丝氨酸分子进行对接,通过其空间结构分析,选择Asp61和Gly25两个关键位点进行定点饱和突变,通过酶活力筛选,发现突变体A61L和G25G较野生型(wildtype,WT)酶活力显著提高。对这两个突变体进行酶动力学和酶学性质研究,结果显示:相较于WT,A61L和G25G的Km值降低,底物亲和力增强,酶活力分别提高到1.21、1.35倍;n值减小,正协同性增加;A61L和G25G最适温度与WT相同均为40℃;A61L最适pH值与WT相同为8.0,G25G最适pH值为8.5较WT提高;A61L和G25G酶活力半衰期较WT分别延长1h和减少0.5h;低浓度K^(+)、Mg^(2+)、Ca^(2+)对突变体和WT有激活作用;不同体积分数甲醇、乙醇、乙腈和二甲基亚砜对突变体和WT有明显抑制作用;在1~25mmol/L抑制剂浓度下,突变体受抑制作用较WT明显减弱。本研究获得酶活力提高、别构抑制减弱的突变体G25G和A61L,为优化HSD合成代谢途径和构建高产蛋氨酸、苏氨酸和异亮氨酸菌株提供了参考。

基于低拷贝质粒的高产紫色杆菌素谷氨酸棒杆菌的构建和发酵

该研究以公认安全(Generally Recognized as Safe,GRAS)的谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)为宿主,构建高产紫色杆菌素的重组菌株。利用谷氨酸棒杆菌天然大质粒pTET3的复制与分配元件,构建了低拷贝质粒pOK12CG1,该质粒在谷氨酸棒杆菌中的拷贝数约为6拷贝/基因组,且与谷氨酸棒杆菌常用质粒pEC-XK99E和pXMJ19兼容。以低拷贝质粒pOK12CG1为骨架构建了携带紫色杆菌素合成操纵子(vioABCDE)的质粒pCGvio,并分别以谷氨酸棒杆菌标准株ATCC 13032和插入序列(Insertion Sequence,IS)元件删除株为宿主,构建了7株合成紫色杆菌素的重组菌株。通过初步筛选,发现基于低拷贝质粒的重组菌株ATCC 13032/pCGvio,其紫色杆菌素产量(508.24 mg/L)高于基于中高拷贝质粒的重组菌株ATCC 13032/pECvio(376.16 mg/L),而基于低拷贝质粒的IS元件删除重组菌株ISDM023/pCGvio紫色杆菌素产量达到了610.13 mg/L。进一步采用正交实验设计对重组菌株ISDM023/pCGvio进行培养基体积比(V_(LB):V_(BHIS))、诱导时间和IPTG诱导剂浓度这3个因素的发酵条件优化。结果表明,在VLB:VBHIS为1:2、诱导时间为18 h、IPTG浓度为0.75 mmol/L的优化条件下,紫色杆菌素的摇瓶发酵产量可达了1007.47 mg/L。该研究成功构建了紫色杆菌素的谷氨酸棒状杆菌重组菌株ISDM023/pCGvio,为谷氨酸棒状杆菌高效合成紫色杆菌素奠定了实验基础,也为其它产物的高效合成提供参考。

双底物指数流加和双阶段溶氧控制对谷氨酸棒状杆菌生产L-异亮氨酸的影响

为了实现L-异亮氨酸的高效生产,提高谷氨酸棒状杆菌YILW生产L-异亮氨酸的产量和生产强度,在详尽分析磷酸盐和玉米浆初始浓度对L-异亮氨酸发酵影响的基础上采用了双底物(玉米浆、磷酸盐)指数流加与双阶段溶氧相结合的控制策略进行L-异亮氨酸发酵。结果表明,最佳磷酸盐和玉米浆浓度分别为1.5 g/L和35 mL/L,此条件下分批补料发酵菌体生物量和L-异亮氨酸产量分别为27.66 g/L和25.89 g/L。在生长阶段进行双底物指数流加并结合双阶段溶氧控制,发酵60 h菌体生物量和L-异亮氨酸产量分别为32.29 g/L和31.32g/L,较优化前分别提高16.73%和20.97%。

全局调控因子Lrp的表达强化谷氨酸棒状杆菌发酵生产L-缬氨酸

作者研究发现全局调控因子Lrp的表达能促进谷氨酸棒状杆菌发酵生产L-缬氨酸,但对菌体生长有一定影响。RT-PCR分析发现:Lrp的表达能提高L-缬氨酸合成相关基因ilv A、ilv BN、ilv C、ilv D及转运相关基因brn FE的转录水平,这也许是L-缬氨酸产量提高的原因。实验还发现:表达含有点突变(Arg39Trp)的Lrp可以进一步提高谷氨酸棒状杆菌L-缬氨酸的产量,而且对菌体生长的影响也减小;这种效果在lrp-brn F间隔区域存在突变的L-缬氨酸生产菌VWB-1中更加明显。在VWB-1中共表达lrp1和brn FE基因,5 L罐发酵L-缬氨酸产量达到42.1 g/L,比对照提高了48.9%。

代谢工程方法改造谷氨酸棒状杆菌生产乙偶姻

应用代谢工程方法对Corynebacterium glutamicum ATCC 13032生物合成乙偶姻进行了研究.在C.glutamicum ATCC 13032中导入了Bacillus subtilis 168的乙偶姻合成途径的相关基因als SD操纵子,工程菌株的乙偶姻产量为2.14,g/L.为了增加合成乙偶姻的直接前体物丙酮酸的供给,进一步敲除了丙酮酸脱氢酶复合体E1亚基的编码基因(ace E)和乳酸脱氢酶基因(ldh A),工程菌株的乙偶姻产量提高到5.09,g/L.最后,敲除了工程菌株的2,3-丁二醇脱氢酶基因(but A)以阻断副产物2,3-丁二醇的合成,在优化的溶氧条件下,菌株CGL3在基本培养基中乙偶姻产量提高到8.33,g/L,达到理论得率的51.5%.实验结果表明经过代谢工程改造的C.glutamicum ATCC 13032具有良好的乙偶姻合成能力和应用潜力.

谷氨酸棒状杆菌成分分析及其酸水解条件研究

对废弃的谷氨酸棒状杆菌成分进行分析,评估其作为培养基用有机氮添加物质的可能性。测定结果表明:谷氨酸棒状杆菌中粗蛋白含量74%,核酸含量6.53%,粗脂肪含量11.36%,灰分含量2.78%,营养成分比较丰富,具有较高的开发利用价值。通过正交实验得到酸水解谷氨酸棒状杆菌的最佳条件为:pH 0.5、水解温度115℃、菌体浓度15 g/100 mL、水解时间20 h。在上述条件下菌体蛋白水解度(DH)达到88.37%。

谷氨酸棒状杆菌厌氧产丁二酸的发酵条件

考察谷氨酸棒状杆菌ATCC13032Δldh厌氧产丁二酸的发酵条件。结果发现:补加NaHCO3的效果最好,并且考察了NaHCO3浓度对葡萄糖转化速率及丁二酸生成速率的影响。运用代谢流分析方法分析了乳酸脱氢酶基因敲除对谷氨酸棒状杆菌厌氧代谢的影响,发现乳酸脱氢酶基因敲除导致磷酸烯醇式丙酮酸生成丁二酸的流量提高了214.3%,流向乳酸的流量变为0;分批厌氧转化36 h生成41.2 g/L丁二酸,产率45.0%。

贯叶连翘总提取物对谷氨酸棒状杆菌和粪产碱杆菌的抗菌作用

报道了经光照和未经光照处理后贯叶连翘总提取物对谷氨酸棒状杆菌和粪产碱杆菌的作用 ,结果表明 ,总提取物对谷氨酸棒状杆菌有强烈的抑菌和杀菌作用 ,对粪产碱杆菌有抑菌作用 ;其抑菌或杀菌作用与其浓度有关 。

不同表达模式组合对谷氨酸棒状杆菌中脑钠肽蛋白表达的影响

外源蛋白表达系统按照启动子作用方式可分为诱导型和组成型,按照蛋白表达后的定位可分为胞内表达和分泌表达。为了研究外源蛋白在谷氨酸棒状杆菌中最适的表达模式组合,以绿色荧光蛋白(green fluorescent protein,GFP)为模式蛋白构建用于研究谷氨酸棒状杆菌不同表达模式的快速表达体系,并利用这一体系研究脑钠肽(B-type natriuretic peptide,BNP)的最适表达模式。结果表明,相比于诱导型胞内表达、诱导型分泌表达、组成型分泌表达模式,BNP通过组成型胞内表达可达到最高的表达量。表达产物经过NI-NTA亲和层析,可得到纯化的BNP产量为235.5 mg/L,纯度可达90%。该研究构建了一套谷氨酸棒状杆菌中外源蛋白不同表达模式组合的快速检测方法,并成功实现了BNP的表达,这对以谷氨酸棒状杆菌作为宿主表达外源蛋白具有重要的指导意义。

谷氨酸棒状杆菌CRISPR-Cpf1/ssDNA基因组编辑系统优化

谷氨酸棒状杆菌作为重要的微生物细胞工厂,基因组修饰已经成为调节目标代谢物的首要途径。为了提高基因定点突变的编辑效率,建立了高效省时的CRISPR-Cpf1/ssDNA基因组编辑系统。利用卡那霉素抗性作为筛选标记,构建了1株严谨的单链模式菌M-1,用于验证与统计编辑效率。首先,采用强启动子Ptuf,优化了切割效率;其次,利用重组酶RecT和合理长度与添加量的ssDNA,优化了重组效率。实验结果显示:在启动子Ptuf和RecT的双重作用下,采用滞后链(70bp、12.5μg)优化组合方式,使基因编辑效率提升至(80±5.7)%。由RecT介导的CRISPR-Cpf1/ssDNA基因组编辑系统可在很大程度上加快谷氨酸棒状杆菌代谢工程改造。

外源蛋白表达过程中谷氨酸棒状杆菌转录组及代谢物的多变元分析

以谷氨酸棒状杆菌为研究对象,在发酵罐水平30%溶解氧条件下对野生菌及表达EGFP的工程菌进行平行培养,对培养20 h的菌体进行转录组分析,并对不同时间点所取样品进行代谢物检测。利用多变元分析方法分析转录组和代谢物数据,其中主要利用主成分分析法进行关键因素分析,利用正交偏最小二乘法判别分析进行转录组数据分析,继而通过S-plot得到不同溶解氧下的生物标记物(biomarkers),最终找到了8个关键基因。代谢数据分析结果表明ATP、谷氨酸、乙酸、胞内谷氨酸、甲硫氨酸及乳酸是外源蛋白表达的关键代谢物;通过不同时间点代谢物含量变化分析发现外源蛋白表达的代谢变化类似于低氧环境下的代谢变化现象,即糖酵解增强,TCA溢流,回补途径增加,乙酸、乳酸生成增加。通过对比外源蛋白表达工程菌与野生菌的转录组数据及代谢物含量数据,为今后在代谢工程中菌株改造、优化代谢获得高效表达外源蛋白的谷氨酸棒状杆菌表达宿主奠定基础。

高产L-精氨酸谷氨酸棒状杆菌的构建

以产L-精氨酸诱变菌株谷氨酸棒状杆菌(Corynebacterium glutamicum)AJC为出发菌株,采用基因组编辑技术对其进行改造。首先,敲除阻遏蛋白ArgR和FarR,解除反馈阻遏作用;然后,敲除乳酸脱氢酶编码基因ldh和整合鸟氨酸乙酰转移酶编码基因argJ,阻断乳酸合成途径和增加前体物;最后,敲除谷氨酸分泌蛋白编码基因NCgl1221和整合乙酰谷氨酸激酶基因argB,减弱L-谷氨酸的胞外分泌,筛选一株L-精氨酸高产菌株。结果表明,获得一株高产L-精氨酸菌株AJC-4(C. glutamicum AJCΔargRΔfarRΔldh::PtufargJ ΔNCgl1221::PsodargB),该菌株在5 L发酵罐中发酵64 h后,L-精氨酸产量和糖酸转化率分别为78.0 g/L和0.38 g/g,较出发菌株AJC分别提高21.9%、18.8%;副产物乳酸和L-谷氨酸积累量分别为0.11 g/L、0.16 g/L,较出发菌株AJC分别降低96.8%、96.1%。

基于T7转录系统的谷氨酸棒杆菌重组蛋白高效表达系统的创建

本研究以前期构建的大肠杆菌-谷氨酸棒杆菌穿梭载体pAU2为基础,通过添加T7 RNA聚合酶编码基因及人工合成的克隆表达区,构建了1个新的谷氨酸棒杆菌分泌型基因高效表达载体pAU29KS。pAU29KS载体克隆/表达盒使用T7启动子作为目的基因的启动子,通过载体序列中T7 gene 1基因编码的T7 RNA聚合酶与T7启动子互作来进行目的基因的高效转录;启动子区下游使用谷氨酸棒杆菌核糖体结合位点RBS保守序列(gaaagga)来高效起始目的蛋白合成;克隆/表达盒RBS与多克隆位点MCS之间使用谷氨酸棒杆菌强信号肽cgl_2070编码序列来进行目的蛋白的胞外高效分泌。以嗜热脂肪土芽孢杆菌的α-淀粉酶AmyF作为报告蛋白,进行谷氨酸棒杆菌C.glutamicum/pAU29KS表达系统的蛋白分泌生产能力检测。透明圈法检测结果显示,工程菌株C.glutamicum/pAU29KS-amyF能够在淀粉平板上产生清晰可见的透明圈;培养物上清液的SDS-PAGE考马斯亮蓝染色和Western Blotting检测结果都显示出清晰的特异性条带,与AmyF预测分子量相一致;淀粉酶活性检测结果显示,培养物上清液呈现高淀粉酶活力,而细胞裂解上清液未检测到淀粉酶活力,说明高效表达的α-淀粉酶在强信号肽cgl_2070的介导下完全分泌到胞外培养基中。本研究构建的基于T7转录系统的C.glutamicum/pAU29KS能够对目标蛋白进行高效分泌生产,是一套新的谷氨酸棒杆菌分泌型重组蛋白表达系统。

谷氨酸棒状杆菌乙酸盐代谢PTA、AK、ICL和MS酶活性研究

从谷氨酸棒状杆菌乙酸盐代谢中涉及的磷酸转乙酰酶PTA、乙酸盐激酶AK、异柠檬酸裂解酶ICL和苹果酸合成酶MS 4种酶入手,建立了一套稳定的酶活性测定方法,并对这些酶在葡萄糖和乙酸盐不同碳源代谢中的酶活性特征进行了比较分析,发现碳代谢中存在葡萄糖效应;乙酸盐对谷氨酸棒状杆菌PTA、AK、ICL和MS酶活性有明显的诱导作用.

谷氨酸棒状杆菌在乙酸盐和葡萄糖基质上的蓝白生长筛选(英文)

在谷氨酸棒状杆菌乙酸盐代谢调控关键酶—异柠檬酸裂解酶 ace A基因两段启动子区域后面组装了无启动子的β-半乳糖苷酶报道基因 ,并且带上四环素抗性标记基因构建了两个检测质粒 p ROH7和 p ROHO.通过该两个质粒转化了谷氨酸棒状杆菌野生型菌株 Corynebacterium glutamicum ACTT14 75 2 ,分别获得了含有两个检测质粒的两种谷氨酸棒状杆菌 ,由此建立了谷氨酸棒状杆菌在乙酸盐和葡萄糖基质上的两个蓝白生长筛选系统 .结果显示当两种菌株生长在含有葡萄糖的基本培养基上时呈现白色菌落 ,而生长在含有乙酸盐的基本培养基上时呈现蓝色菌落 ;其中菌落颜色还随菌株中检测质粒p ROH7和 p ROHO的不同而呈现淡蓝色和深蓝色的变化 .含有检测质粒 p ROH7和 p ROHO菌落的颜色变化反映了细胞在葡萄糖和乙酸盐不同和碳源上的调控状态 。

谷氨酸棒状杆菌发酵色氨酸的工艺研究

为了优化发酵工艺,提高色氨酸产量,本文对发酵培养基的碳氮源、发酵条件、及小试发酵过程控制进行了实验研究。结果表明,最佳发酵培养基为葡萄糖4g/L、胰蛋白胨20g/L,色氨酸产量达0.43g/L;在摇瓶发酵的基础上,进一步在50L发酵罐中进行小试表明,在发酵温度36℃、pH7.0、搅拌速率700r/min的条件下,色氨酸产量达0.45g/L。

基于谷氨酸棒状杆菌的茶氨酸生物合成工程菌构建

将茶树谷氨酰胺合成酶基因(Cs GS1;3,GenBank登录号AB117934.1)克隆,并与穿梭表达载体pZ8-1连接,将重组质粒通过电转法转到谷氨酸棒状杆菌ATCC 13032感受态细胞,构建了谷氨酸棒状杆菌重组菌株Corynebacterium glutamicum ATCC 13022/p Z8-Cs GS1;3。再将成功构建的该重组菌株经异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)在30℃下诱导4 h后,进行体外酶活反应。反应产物用薄层层析(TLC)检测发现有产物茶氨酸生成,经液相色谱三重四级杆串联色谱仪(LC-MS)进一步检测确定其合成产物为茶氨酸。

谷氨酸棒状杆菌启动子在枯草芽孢杆菌中的克隆及其序列分析

利用枯草芽孢杆菌启动子探针质粒pPL 603为载体,从谷氨酸棒状杆菌1014-6染色体DNA上克隆到一个有较强启动功能的DNA片段。生物素标记的DNA-DNA分子杂交实验证明该片段确实来自谷氨酸棒状杆菌1014-6染色体DNA。在绘制该片段限制酶酶切图谱的基础上,经另一个启动子探针质粒pPL 703的亚克隆,将其启动子功能区定位在BamHI酶切片段中。对后者进行了核苷酸序列分析,发现它具有棒状杆菌类启动子的-35区和-10区序列。

全转录组揭示化合物M6对谷氨酸棒状杆菌基因表达的影响

目的探究化合物M6所干预的谷氨酸棒状杆菌(Cg)基因表达网络,以期为深入研究M6的抗菌作用机制提供候选基因。方法利用Chemdraw 18.0软件展示M6的分子结构,二倍稀释法测定M6在多种微生物中的抗菌谱;模式菌选用与MTB细胞壁相似的Cg,刃天青法测定M6的最低抑菌浓度(MIC);用转录组测序分析M6对Cg基因表达的影响,实验组和对照组分别用1/2 MIC浓度的M6和相同浓度的DMSO处理Cg 24 h,每组设3次生物学重复;Trizol法提取总RNA并进行转录组测序;利用Bewtie 2软件分析差异表达基因(DEGs),用GO功能和KEGG通路分析DEGs富集及功能,STRING分析DEGs表达蛋白质之间的互作关系。结果大部分G^(-)菌和真菌对M6耐受,G^(+)菌对M6较敏感,特别是MTB最敏感(MIC为0.0625μg·mL-1);分子结构显示M6具备有限的分子构象。选用对M6敏感的Cg(MIC为0.5μg·mL^(-1))为模式菌进行后期的转录组测序,测序结果显示,M6干预使Cg差异表达的mRNA共452个(P≤0.05,|log2FC|≥1.0),其中346个高表达,106个低表达;差异倍数4倍以上的基因有40个,包括高表达的ctpA、ftn、dps、cmr、trxC和clpB等34个基因及6个低表达基因bioB、bioA、gip、hI_0095、DNA81和DNA345。GO功能富集分析显示,DEGs主要富集在核糖体结构组分、r RNA结合和核蛋白复合体等与核糖体相关的功能途径。KEGG通路功能分析显示,核糖体及阳离子抗菌肽耐药性通路中的DEGs富集程度最显著,以rplL、rplJ、rplQ、rpmD、ftn、dps、cmr、trxC、bioA和ugpE等差异性最大。在蛋白互作网络图中,位于中心节点的蛋白质所对应的基因分别为rplQ、rplJ、rspD、rpmD、rpoA、rplE和rplL等。结论M6具备显著的抗MTB活性。在调控Cg的基因表达方面,主要影响了Cg的核糖体及阳离子抗菌肽耐药性通路相关多个基因的表达。