功能寡糖绿色生物合成技术的研究进展

功能寡糖是自然界中复杂且结构多样的一类化合物,具有独特生理功能,在食品、药品及饲料等领域应用广泛。传统的功能寡糖通过天然多糖绿色降解技术制备,然而该技术对制备非天然构型的功能寡糖应用有限。本文聚焦绿色生物技术在制备天然来源匮乏、结构多样性、新型生理功能的功能寡糖及其衍生物方面的应用研究进展:基于更多高效、立体选择性新酶元件的发现与表征,建立寡糖合成的新途径和复杂级联反应,并在宿主细胞中重构新的合成途径,突破天然微生物合成代谢的极限,实现应用多酶级联催化与生物发酵技术生物制备功能寡糖,进一步探讨了具有未来功能食品特征的寡糖合成研究方向。

实验室芽孢杆菌菌种库中高产蛋白酶、糖基转移酶菌株的测定与筛选

该研究以实验室前期构建的小型芽孢杆菌菌种库中的335株芽孢杆菌菌株为研究对象,通过测定其产蛋白酶和糖基转移酶的特性挖掘到蛋白酶缺陷菌株68株、产中性蛋白酶菌株185株、产碱性蛋白酶菌株217株和具较强蛋白分泌能力的菌株87株。经进一步筛选获得22株高产碱性蛋白酶菌株和12株高产中性蛋白酶菌株;另外,基于此菌株资源库,同时进行了产新型糖基转移酶的菌株筛选,以甜菊苷为底物,得到了13株底物转化率达50%以上的菌株,其中菌株BAP#和114#的转化产物分别被鉴定为莱鲍迪苷D和莱鲍迪苷E。综上可见,实验室的芽孢杆菌菌株资源库虽然规模较小,但无论是对于常用工业酶制剂的开发,还是对于新型食品用酶的定向挖掘,都提供了丰富和多样的菌种资源,显示了很好的菌种筛选应用前景。

中国在翻译后修饰的生物信息学研究领域的进展与前瞻

翻译后修饰在调控蛋白质构象变化、活性以及功能方面具有重要作用,并参与了几乎所有细胞通路和过程。蛋白质翻译后修饰的鉴定是阐明细胞内分子机理的基础。相对于劳动密集的、耗费时间的实验工作,利用各种生物信息学方法开展翻译后修饰预测,能够提供准确、简便和快速的研究方案,并产生有价值的信息为进一步实验研究提供参考。文章主要综述了中国生物信息学者在翻译后修饰生物信息学领域所取得的研究进展,包括修饰底物与位点预测的计算方法学设计与完善、在线或本地化工具的设计与维护、修饰相关数据库及数据资源的构建及基于修饰蛋白质组学数据的生物信息学分析。通过比较国内外的同类研究,发现优势和不足,并对未来的研究作出前瞻。

乳蛋白重组表达与人造奶生物合成:全球专利分析与技术发展趋势

乳蛋白是天然动物奶的主要成分,具有高营养、易吸收、增强免疫力、抗氧化等多种生物活性。采用基因工程和细胞工厂等技术手段,高效表达天然奶中的各种乳蛋白组分,已成为当前人造奶生物合成的研发热点和技术难点。人造奶作为一个已商业化面向市场并正在改变世界的新兴科技食品,营养风味与天然牛奶相当,但不含乳糖、胆固醇、抗生素和致敏原等不良因子,其生产过程无需养殖动物,可以有效节约资源与能源,是一种颠覆传统养殖业的未来乳制品生产新模式,将引领未来食品产业和细胞农业发展方向。本文系统总结了模式微生物底盘改造、重组乳蛋白高效表达和人造奶制品产业化等相关核心技术的知识产权保护现状,探讨了目前人造奶制品研发面临的瓶颈技术挑战和生物安全评价等热点问题,介绍了乳蛋白组合表达、风味物质添加、致敏原删除和细胞工厂智造等最新发展动态,为人造奶等未来合成食品产业化提供重要的理论与技术参考。目前我国乳蛋白重组表达与人造奶生物合成技术研发力量相对薄弱,研发资金与风险投资不足。为应对日趋激烈的国际竞争,“十四五”期间我国应加大研发投入,着力突破共性关键技术与产品生产工艺,同时加快制定未来合成食品商业化管理法规与产业政策,为促进我国未来养殖业发展和实现农业碳达峰、碳中和目标提供的科技支撑。

来自Staphylococcus aureus N315的2-脱氧-D-核糖5-磷酸醛缩酶的工程菌构建、表达纯化与性质鉴定

利用基因挖掘在数据库中发现一种来自Staphylococcus aureus N315的潜在DERA(SaDERA),将其基因密码子优化后实现了在大肠杆菌中的表达,重组酶经纯化后研究了其催化性质。结果表明:构建的工程菌具有较高的可溶表达量(占总蛋白的70%),通过简单的一步纯化即可得到电泳纯的酶;SaDERA是一种同源二聚体的酶(5.7×104),其最适反应条件是pH 7.7和45℃;SaDERA具有良好的碱耐受性,在pH 11.0、25℃的条件下温浴24 h后仍有93%的残余活力;SaDERA具有良好的乙醛耐受性,在0.3 mol/L乙醛浓度、25℃下,30 min内保持了70%以上的残余活力;乙醛连续自缩合产物被纯化并鉴定,所得产品为两次缩合产物。

醌氧化还原酶的异源表达及其在偶氮染料脱色方面的研究

为研究NAD(P)H:醌氧化还原酶在染料处理方面的潜力,选用大肠杆菌异源表达人来源的NAD(P)H:醌氧化还原酶(hNQO1),对6种介体小分子(1,4-萘醌、蒽醌-2-磺酸钠盐、甲基对苯醌、1,4-二羟基蒽醌、蒽醌、甲萘醌)进行筛选,选择适合浓度的介体小分子辅助hNQO1全细胞对偶氮染料进行脱色。结果表明,利用1,4-二羟基蒽醌作为介体小分子,hNQO1全细胞对刚果红的脱色效果较好,菌体能够重复利用3次,脱色率(反应6 h)依次为94.0%,79.7%和20.3%。与刚果红相比,hNQO1全细胞对苋菜红、活性黑5的脱色率(6 h)分别为18.8%,16.4%。综上所述,该重组hNQO1在染料废水处理方面具有较好的潜力和前景。

木聚糖酶XynG1-1在毕赤酵母中的表达及发酵条件优化

将来源于Paenibacillus campinasensis G1-1的木聚糖酶编码基因成功整合到毕赤酵母GS115基因组上,构建了高产木聚糖酶XynG1-1的毕赤酵母工程菌。采用响应面法对该工程菌的发酵条件进行优化。首先使用Design-Expert软件进行Plackett Burman实验设计筛选出影响产酶量的3个主要因素,即甲醇含量、生物素含量和培养时间。在此基础上使用Design-Expert软件进行Box-Behnken实验设计,通过响应面分析得出优化的发酵培养条件为:甲醇含量2.28%,培养时间37.29 h,生物素4 mg/L,酵母粉20 g/L,蛋白胨20 g/L,YNB 30 g/L,装液量100 m L/L,转速250 r/min、温度28℃、磷酸缓冲液pH 6.0。经实验验证,优化后的培养条件下胞外重组酶活达到707.2 IU/m L,与响应面预测结果一致,较优化前木聚糖酶酶活提高了7.9倍,较原始菌株产酶量提高了19.8倍。经10 L发酵罐扩大培养之后,重组木聚糖酶的酶活达到2 703 IU/m L。因此,该研究有效提高了木聚糖酶XynG1-1的发酵产量,并且,该重组酶保持了良好的酶学性质,可为工业化生产及应用奠定基础。

“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。

β-葡萄糖苷酶的枯草芽孢杆菌表达、酶学性质分析及其在宝藿苷Ⅰ制备中的应用

为获得安全高效的β-葡萄糖苷酶用于生物催化淫羊藿苷水解制备宝藿苷Ⅰ,通过大肠杆菌-枯草芽孢杆菌穿梭载体pMA5在食品安全菌株枯草芽孢杆菌WB600中异源表达Thermotoga petrophila来源的耐热β-葡萄糖苷酶TpBgl3,研究了所表达重组酶的酶学性质及其水解宝藿苷制备宝藿苷Ⅰ的工艺条件。结果表明,菌株在30℃、SR培养基中发酵培养48 h后,上清液中的β-葡萄糖苷酶酶活力达到69.68 U/mL。重组表达的TpBgl3最适温度为85℃,最适pH为4.0,在65℃、pH4.0下放置3 h仍能保持85%以上的相对酶活。在65℃、pH4.0、酶用量0.16 U/mg、反应时间20 min的优化条件下,其能将10 g/L的淫羊藿苷水解转化为7.50 g/L的宝藿苷Ⅰ,摩尔转化率为98.67%。β-葡萄糖苷酶的枯草芽孢杆菌分泌表达为宝藿苷Ⅰ及其他高附加值苷元类化合物的工业化安全高效生物制备提供了新途径。

耐热普鲁兰酶CBM68结构域中关键位点对其酶学性质的影响

通过对Anoxybacillus sp.LM18-11来源的耐热普鲁兰酶(Pul A)与麦芽三糖共结晶的晶体结构分析,在新命名的底物结合域CBM68中预测出4个与底物结合有关的氨基酸位点(Y14、D16、K62和R96),分别将4个氨基酸位点突变为丙氨酸,得到突变体Pul A^(Y14A)、Pul A^(D16A)、Pul A^(K62A)和Pul A^(R96A)。其中,突变酶Pul A^(Y14A)和Pul A^(R96A)的底物结合力及催化效率与野生酶Pul A相比均有明显降低,其K_m值分别比Pul A提高了4.2倍和2.5倍,k_(cat)/K_m分别为Pul A的29%和37%。同时,Pul A^(Y14A)和Pul A^(R96A)的最适作用温度均降低了10℃,Pul A^(R96A)的最适作用p H也降低了0.5个单位。说明Y14和R96是CBM68结构域中的关键氨基酸位点,这两个位点的发现为进一步探究CBM68结构域的作用机制奠定了基础。

甘蔗基蔗糖高附加值利用的研究进展

蔗糖占我国食糖总消费量90%以上,而甘蔗是蔗糖的主要原材料。然而,我国甘蔗生产集约化程度低,导致制糖成本越来越高,提高甘蔗及副产品的资源化利用水平,对我国甘蔗制糖产业具有重要意义。本文综述近年来甘蔗基蔗糖高附加值生物转化利用方面的研究进展,总结蔗糖生物催化相关的关键酶元件,以及多酶级联催化技术转化蔗糖制备结构多样性功能产品方面的应用,阐述微生物发酵技术利用蔗糖及糖蜜制备大宗化学品和精细化学品方面的潜力,进一步探讨甘蔗基蔗糖高附加值利用的研究方向。

米曲霉(Aspergillus oryzae)RIB40中烯酮/烯酯还原酶的异源表达及性质分析

以米曲霉(Aspergillus oryzae)RIB40基因组DNA为模版,通过PCR扩增其烯酮烯酯还原酶(AspER)基因(asper)后连接到表达载体pET32a(+)上,在大肠杆菌BL21(DE3)中以可溶形式表达。通过Ni-NTA亲和色谱层析纯化后,蛋白纯度提高1.9倍,回收率为60.62%。根据分子筛凝胶层析结果推算,AspER以二聚体形式存在。性质分析表明此酶为依赖于NADPH的氧化还原酶,最适pH为7.0～8.0,最适温度为40℃。对2-环己烯酮Km和kcat值分别为(2.45±0.36)mmol/L和(4.4±0.4)×103s-1。底物谱分析发现AspER对马来酰亚胺及其衍生物有较高的活性,其中对2-甲基马来酰亚胺的转化率和e.e.值均高于99%。

重组固氮菌腈水合酶催化3-(4-氯苯基)戊二腈的选择性水解

通过基因数据挖掘方法(genome mining)获得了来源于固氮菌Herbaspirillum seropedicae SmR1中的腈水合酶基因hsn1。构建了hsn1/pETDuet-1/BL21的大肠杆菌共表达重组菌,经IPTG诱导获得了具有良好催化能力的Co2+依赖型腈水合酶HSN1。利用全细胞反应研究了HSN1的底物谱,发现HSN1对底物3-(4-氯苯基)戊二腈有良好的区域选择性及一定的对映选择性,它可以选择性地水解1个腈基得到3-(4-氯苯基)-4-氰基丁酰胺,该化合物可通过一步化学反应合成巴氯芬。

定向进化转录调节基因提高漆酶异源表达

为提高Tremetes viscolor漆酶Lcc的表达量,本研究主要针对漆酶转录调节区域进行定向进化。利用易错PCR,选择不同浓度的Mn2+对调节区域进行突变,并以酿酒酵母为宿主细胞进行异源表达,构建S. c/pYES2-Lcc调节子突变库。选用2,2-联氮基双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二胺盐(ABTS)为底物的96孔板测定漆酶酶活高通量筛选方法对突变库中960株突变体进行筛选,并对酶活高的突变体进行摇瓶复筛,最终获得三株遗传稳定性良好的酶活较高地突变体M1、M2、M3,其粗酶液酶活分别是野生型菌株粗酶液酶活的1. 73倍、1. 46倍、1. 37倍,突变菌株M1粗酶液酶活最高可达35. 4 U/L。

菌体蛋白替代鸡胸肉的炸鸡块品质变化

为探究菌体蛋白在肉制品领域的应用可行性,使用菌体蛋白替代不同比例的鸡胸肉制作炸鸡块,并对获得的炸鸡块进行营养组成、烹饪损失、色泽、质构特性以及感官评价测试。结果表明:菌体蛋白替代20%~60%鸡胸肉制作的炸鸡块产品,蛋白含量在21.12 g~18.78/100 g,脂肪含量在9.98~10.48 g/100 g,膳食纤维含量在2.22~5.23 g/100 g。随着菌体蛋白比例增加,炸鸡块的烹饪损失由19.19%减小到16.28%,硬度由4.48 N升高到5.97 N,弹性呈现先升高后降低的趋势。菌体蛋白替代20%鸡胸肉的炸鸡块与无菌体蛋白的产品相比,营养组成差异小,嫩度无差异(p>0.05),但亮度(L*67.60)增加,咀嚼性与弹性分别提高43.95%与17.95%(p<0.05),感官评价接受度良好。综上所述说明菌体蛋白可用于制备新型炸鸡块产品,研究能够为菌体蛋白作为动物蛋白替代的应用开发提供技术支持。

新一代糖化酶高产菌株的选育及其工业应用

【目的】建立对糖化酶生产菌种黑曲霉随机突变文库进行筛选的方法,以获得糖化酶酶活提高的突变菌株。【方法】以一株可产糖化酶的黑曲霉菌株Aspergillus niger X1为出发菌株,经硫酸二乙酯诱变获得突变文库,采用葡萄糖的结构类似物——2-脱氧葡萄糖进行筛选,并在筛选过程中逐渐提高2-脱氧葡萄糖浓度,定向选育具有2-脱氧葡萄糖抗性、高产糖化酶的突变株。【结果】获得的高产突变菌株DG36摇瓶发酵糖化酶产量比出发菌株A.niger X1提高22.2%–33.8%,经工业水平50 m^3罐发酵测试,突变株DG36发酵128 h糖化酶活可达49094 U/m L,在相同发酵时间内,其酶活较出发菌株A.niger X1提高32.8%,发酵时间缩短16.9%。【结论】本研究开发了一种以2-脱氧葡萄糖为抗性标记选育高产糖化酶突变株的方法,所得突变株DG36遗传性状稳定,与出发菌相比具有菌丝粗壮、产酶期提前、糖化酶活高、发酵时间短、有利于发酵后处理的优点。

枯草芽孢杆菌B6的特性及其对哺乳期母猪生产性能的影响

文章旨在报道一株极具益生菌开发潜力的枯草芽孢杆菌B6,通过实验确定了该菌株高产功能性果聚糖的最佳碳源为蔗糖,果聚糖作为B.subtilis B6的主要功能性代谢产物,其胞外产量在100 g/l以上,经实验验证,该菌株产生的果聚糖具有很强的抗氧化作用,10 mg/ml果聚糖的DPPH自由基清除率和ABTS自由基清除率分别为80%和71%以上,铁还原能力达到43.26 mmol/g FeSO4当量。B.subtilis B6显示了活菌数高,菌种性能强,生产成本低等优良的应用特性。哺乳期母猪的饲喂效果显示B.subtilis B6液体菌剂可使仔猪平均窝重提高28.8%,平均断奶窝重提高18%,显著提高母猪及仔猪免疫力。综上,菌株B.subtilis B6作为特效益生菌在饲料添加剂领域将具有很大的开发潜能和市场价值。

肽类或蛋白质类药物体内稳定性控制策略

肽类或蛋白质类药物具有生物活性和特异性较高、可溶性强、低毒性等优点,现已成为药物研发的热点领域;然而,肽类或蛋白质类药物由于消化系统和血液中蛋白酶的快速降解以及体内肾脏的快速清除,体内半衰期一般较短,严重限制了药效作用的发挥。为了延长肽类或蛋白质类药物的体内半衰期,改善其药代动力学和药效学特征,各药物研发机构已进行大量研究,并成功开发多种化学修饰或基因工程改造方法。该文将主要从提高对酶的稳定性、增大流体力学体积和FcRn介导的pH依赖的再生等方面探讨延长肽类或蛋白质类药物半衰期的策略,并对成功的药物研发实例进行归纳汇总。

纳米材料固定化酶的研究进展

近年来,纳米技术为酶固定化提供了多种纳米级材料,纳米材料固定化酶不仅具有高的酶负载量,而且具有良好的酶稳定性。本文基于纳米材料固定化酶,对纳米材料的种类进行了总结,分析了纳米材料对固定化酶性能的影响,并介绍了纳米级固定化方法及纳米材料固定化酶在生物转化、生物传感器、生物燃料电池等领域的应用。

顺丁烯二酸异构酶工程菌发酵条件优化

为提高重组大肠杆菌中顺丁烯二酸异构酶表达量,通过正交试验设计,对工程菌的生长条件和目的蛋白可溶表达条件进行优化.采用250 mL三角瓶中装有50 mL(Amp 100 mg L-1)的培养基,分别研究培养基中葡萄糖、蛋白胨、酵母浸粉的浓度,培养基pH值以及摇床转速、装液量、接种量等对蛋白可溶表达量的影响.确定顺丁烯二酸异构酶工程菌最优化培养基为:蛋白胨20 g L-1、酵母浸粉2.5 g L-1、K2HPO4·3H2O 3.0 g L-1、KH2PO4 1.5 g L-1、NaCl 6 g L-1、MgSO43 g L-1,培养基pH调至6.5.确定顺丁烯二酸异构酶工程菌可溶性表达最优条件为:37℃下培养至D600 nm值为1.0时,添加终浓度为0.05 mmol L-1的IPTG进行诱导,诱导温度37℃,摇床转速220 r min-1,装液量20%,接种量5%,诱导时长为6 h.利用BioFlo 415发酵罐以最优化的培养基和发酵条件对该工程菌进行了3批发酵实验,与摇瓶实验相比,顺丁烯二酸异构酶的表达量提高了近1.5倍,单位发酵液的酶活力由46 U mL-1发酵液提高到78 U mL-1发酵液.以上数据为顺丁烯二酸异构酶重组工程菌的中试发酵奠定了基础.