细胞焦亡法破碎微生物细胞在合成生物学与代谢工程的应用

【背景】细胞焦亡是一种细胞程序性死亡。在古菌和细菌中,gasdermin同源蛋白(GSDM)能够被特定的活化caspase(protease)酶切,从而激活类似于细胞焦亡的效应,产生细胞破碎效果。【目的】合成生物学、代谢工程和生物制造等应用过程中,细胞破碎是不可或缺的一步。利用细胞焦亡法破碎细胞取代传统的破碎方法,可以简化操作、提高生产效益。【方法】在大肠杆菌(Escherichia coli)BW25113中共表达protease和不同来源的GSDM,选择有明显细胞焦亡效应即来源Runella sp.的GSDM进行蛋白截短改造,使其在诱导表达蛋白截短体GSDMJD后能直接激活细胞焦亡效应。对GSDMJD进行过表达优化,获得可控大肠杆菌细胞焦亡菌株。进一步以重组表达蔗糖磷酸化酶为研究模型,验证本系统应用于细胞破碎释放蛋白的效果。【结果】实现了大肠杆菌中细胞焦亡的人为可控。焦亡菌株在诱导表达焦亡相关蛋白2 h后大肠杆菌细胞破碎死亡,内容物释放。将上述系统和超声法应用于制备蔗糖磷酸化酶粗酶液,细胞焦亡法制备的粗酶液的相对酶活显著高于超声法制备的粗酶液。在制备粗酶液的菌液OD_(600)值为2.0时,细胞焦亡法制备的粗酶液相对酶活最高并且相较于超声法制备粗酶液,提高了60%的相对酶活。【结论】细胞焦亡提供了一种更加简单快捷、绿色环保的微生物细胞破碎方式,为合成生物学与代谢工程的发展奠定了基础。

表面增强拉曼光谱技术在微生物鉴定中的应用进展

拉曼光谱自20世纪20年代被发现以来,经过近90年的发展,产生了许多分支。其中表面增强拉曼光谱是利用被测物质与粗糙金属表面的相互作用来提高拉曼光谱的信噪比,从而得到敏感度和精确度更高的图谱,可以将样品在不经过预处理的情况下对其进行快速检测。本文综述了表面增强拉曼光谱技术的原理、分类及鉴定特点,总结了该技术在食品、化学、医药、工业、病原等微生物学科的临床应用,进一步阐述了研究该技术的必要性和应用前景,旨在为从事该领域的科研人员提供参考依据。

分子内分子伴侣机制的研究进展

在原核生物、真核生物及病毒中,一些蛋白质的折叠不符合Anfinsen原则,即依靠自身的氨基酸序列是不够的,还需一段被称为分子内分子伴侣(IMC)的肽段来协助折叠.根据机制不同,IMC可分为两类:第一类IMC引导成熟肽折叠为具有空间结构的蛋白质;第二类IMC协助成熟肽的多聚化而使其获得生物学功能.IMC能提供比分子伴侣更契合的结构,更有效地引导成熟肽折叠,是一种更优的折叠策略.研究IMC分子机制,不仅能够确定IMC上哪些残基的协同作用引导成熟肽折叠,而且可通过改变或修饰其侧链来改造成熟肽,拓展传统的蛋白质工程.

2-O-α-D-吡喃葡萄糖基抗坏血酸研究进展

维生素C(又称抗坏血酸)是一种水溶性维生素,对人体健康有重要作用。抗坏血酸在食品、医疗、化妆品等行业上有广泛的应用价值,但由于自身的不稳定性,易被氧化降解,严重影响其应用。为解决这个问题,对稳定的抗坏血酸衍生物的研究成为国内外专家学者的研究热点。抗坏血酸的一种重要衍生物——2-O-α-D-吡喃葡萄糖基抗坏血酸(AA-2G),作为抗坏血酸的替代品,稳定性显著提高,具有很好的开发应用价值。国内外针对该物质进行了诸多的研究,本文就AA-2G生物合成和应用的国内外最新研究进展进行总结概括。

一株皮革脱毛用工程菌的构建及酶法脱毛应用

构建一株低胶原蛋白酶活力枯草工程菌,用于皮革脱毛并研究其脱毛特性。以Bacillus subtilis AS1.398中性蛋白酶基因为模板,聚合酶链式反应(PCR)扩增得到中性蛋白酶基因npr,并借助p HT43质粒转化至蛋白酶缺陷型宿主菌WB800N中,培养并经过1mmol/L的异丙基-β-D-硫代吡喃半乳糖苷(IPTG)诱导,发酵液上清经SDS-PAGE电泳证明重组蛋白表达成功,经明胶平板验证重组菌株胶原蛋白酶表达能力显著低于野生菌株AS1.398。扩大培养获得重组中性蛋白酶,对牛皮进行脱毛试验表明:重组中性蛋白酶初始脱毛速率大于野生菌株AS1.398蛋白酶;7h到达脱毛终点,且此时脱毛液中羟脯氨酸值(13μg/m L)较低;经显微及感官鉴定重组中性蛋白酶脱毛后皮块毛孔清晰可见,不损伤皮粒面。综上,重组蛋白酶可以在不损害皮质量的前提下完成脱毛过程,为酶法脱毛制革提供新的技术支撑。

诊断试剂用己糖激酶的制备工艺研究

为获得微生物工程菌株来源的己糖激酶(Hexokinase,HK)并提高HK的发酵水平,对已构建产HK的大肠工程菌株BW25113-pYBE/schk进行发酵工艺优化,为HK法血糖检测试剂盒的配制提供技术支撑。本研究采用正交试验对菌株发酵工艺进行优化,并对超声破壁获取粗酶及粗酶的纯化工艺进行研究。结果表明:工程菌株BW25113-pYBE/schk的最佳发酵培养条件为:装液量80mL/500mL,发酵液初始pH 6.5,发酵温度37℃,接种量2%,诱导剂添加时间为接种后1h,转速180r/min。超声破壁最佳工艺为:功率200 W,工作1.5s间歇1s,破壁5min。在最佳发酵和破壁工艺条件下,HK的发酵活力稳定在157U/mL,经过Ni-Agarose His标签蛋白试剂纯化获得60kD的HK。本研究建立了高产己糖激酶大肠杆菌工程菌株的发酵工艺,有利于降低己糖激酶法血糖试剂盒的成本,为糖尿病患者的准确诊断及普及提供便利条件。

吡咯喹啉醌合成及生产工艺研究进展

吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone,PQQ)是继烟酰胺和核黄素之后发现的第三类氧化还原酶辅因子,普遍存在于生物体中参与呼吸链电子传递,具有促进线粒体产生、清除自由基、增强细胞代谢和预防心肌损伤等生理功能,在医药、食品和农业领域具有广泛的应用前景。微生物发酵法是PQQ生产的主要方式,解析PQQ生物合成途径及其调控机制,通过代谢工程选育短周期、高产量的生产菌是PQQ工业化的研究方向之一。本文综述了PQQ的合成途径、高产菌株选育以及微生物发酵生产与分离纯化的研发工作,为深入阐释PQQ的生物合成机制和工业化生产菌株的选育提供参考。

一种新型蛋白酶的酶学特性及脱毛应用

蛋白酶可作为清洁化产品应用在制革脱毛工艺,旨在明确枯草工程菌株WB800N/p HT43-npr发酵生产重组中性蛋白酶(JW-3蛋白酶)的脱毛效果及脱毛工艺条件,为清洁化脱毛制革工艺提供技术参考。研究了JW-3蛋白酶的热稳定性、pH耐受性,金属离子及化学试剂对酶活力的影响,酶解胶原蛋白的能力,同时对酶法与传统灰碱法黄牛皮脱毛效果进行评价。结果显示,JW-3蛋白酶的耐高温能力差,40℃保存1 h酶活力便开始衰减;在pH6、pH7稳定性良好;Ca^(2+)、Mn^(2+)对酶活力有激活作用;在表面活性剂Triton X-100、Tween20、Tween80中稳定;JW-3蛋白酶不具有水解胶原蛋白的能力,与传统灰碱法脱毛的皮粒面效果相当,且可以回收完整的动物毛发再利用。JW-3酶法可替代灰碱法脱毛实现清洁化脱毛制革工艺。

不同信号肽及分子伴侣对中性蛋白酶在枯草芽孢杆菌中分泌表达的影响

通过筛选5个不同的信号肽基因(AmyE、AprE、NprE、SacB、YncM)代替对照质粒pHT43-npr上原始的信号肽基因,整合2个不同的分子伴侣(PrsA、DnaK)到pHT43-npr质粒上,构建重组质粒并转化到枯草芽孢杆菌WB800N中进行诱导表达。结果表明,构建了5株信号肽重组菌株,通过牛奶平板验证无明显水解圈,通过酶活性比较,5株重组菌株中性蛋白酶活性均显著低于对照菌株;成功构建了2株整合分子伴侣的重组菌株,通过牛奶平板验证有水解圈,通过酶活性比较,两株菌株均表达中性蛋白酶,其中重组菌株WB800N/pHT43-npr-PrsA产蛋白酶活性比对照菌株WB800N/pHT43-npr提高了23%,重组菌株WB800N/pHT43-npr-DnaK产蛋白酶活性比对照菌株提高了33%。

基于CRISPR/Cas系统的天然产物生物合成基因簇克隆和编辑技术

合成生物学和基因组测序技术的快速发展使挖掘和高效合成天然产物进入了一个全新的时代。由于多数原始菌株生长缓慢、难以培养及遗传改造困难等问题,导致天然产物生物合成基因簇的激活和高效表达受到严重制约。基于此,将原始菌株来源的基因簇转移到操作简便、遗传背景清晰的模式宿主中进行异源表达成为天然产物发现和产量提高的一种有效手段。其中,基因簇的克隆与编辑是实现天然产物异源表达的一个主要限速步骤。CRISPR/Cas技术的应用极大地提高了大型基因簇克隆和编辑的效率,有效促进了微生物来源新药的发现。本文针对基于CRISPR/Cas开发的基因簇克隆和编辑技术进行了系统梳理和全面总结,探讨相关技术在天然产物挖掘和高效合成中的应用及其重要意义。

基于非结构蛋白1(NS1)的黄病毒感染诊断研究进展

蚊虫传播的黄病毒造成的传染病是人类健康的重要威胁,有效的早期精确诊断对预防与控制黄病毒感染并及时有效开展病患救治至关重要。然而由于黄病毒在血液中核酸可检测窗口短,核酸检测手段难以发挥优势,必须要通过血清学的诊断与病毒分离予以佐证,而血清学检测也要面对黄病毒之间存在的交叉反应问题。本文介绍了基于黄病毒非结构蛋白1(NS1)建立的检测手段。NS1蛋白在病人血清中含量很高是良好早期诊断靶标,基于NS1蛋白的黄病毒血清学诊断的检测窗口较长、灵敏度高、特异性强,具有独特的优势。尤其是2016年寨卡病毒暴发以来基于NS1的检测技术在灵敏度与特异性上得到快速与多元的发展,为黄病毒的精确检测带开启了新的局面。

埃博拉病毒入侵:人TIM分子的结构与结合PS的分子基础

研究表明,人T细胞免疫球蛋白黏蛋白(human T-cell immunoglobulin and mucin domain,h TIM)受体分子能够促进包括埃博拉病毒在内的很多囊膜病毒的入侵.h TIM介导的病毒入侵过程高度依赖于位于受体分子胞外区远膜端的免疫球蛋白V区(immunoglobulin variable(Ig V)-like)结构域与病毒囊膜中磷脂酰丝氨酸(phosphotidylserine,PS)的特异性相互作用.人类TIM家族共有3个成员:h TIM-1,h TIM-3和h TIM-4.虽然相应的小鼠TIM分子的结构已经解析,但h TIM分子的Ig V结构特征及其识别PS的分子基础仍然未知.同时,有研究表明,引起西非大规模埃博拉疫情爆发的2014-扎依尔-埃博拉病毒可能较其先前流行株具有更强的致病能力.但目前尚未有2014-扎依尔-埃博拉病毒利用h TIM分子入侵细胞及其与1976-扎依尔-埃博拉病毒的入侵能力比较的研究报道.本研究证明了整合有1976-和2014-扎依尔-埃博拉病毒囊膜糖蛋白(glycoprotein,GP)的假病毒均可以利用h TIM-1和h TIM-4入侵细胞,并且表现出相近的入侵效率.进一步证明了h TIM分子不与埃博拉病毒GP蛋白直接相互作用,而是通过结合病毒囊膜中的PS分子而促进病毒感染.随后解析了3种h TIM分子Ig V结构域的高分辨率晶体结构以及h TIM-4与磷酸丝氨酸的复合物晶体结构.令人意外的是,3种h TIM分子的PS结合槽呈现出各自不同的局部结构特征且在目前已解析结构的小鼠同源分子中均未被观察到.这些结构特征很可能提示h TIM分子具有不同于小鼠同源分子、且彼此间亦各不相同的PS识别模式.上述结构和功能数据丰富了我们对h TIM结合PS的分子基础的认识,从而将帮助我们更深入地了解埃博拉和相关囊膜病毒利用h TIM受体入侵细胞的分子机制.

新型冠状病毒结合穿山甲ACE2受体的分子机制

新型冠状病毒病(coronavirus disease 2019,COVID-19)的病原体为新型冠状病毒(COVID-19 virus),以下简称为新冠病毒,也称为severe acute respiratory syndrome coronavirus 2(SARS-CoV-2).研究认为,SARS-CoV-2可能起源于蝙蝠,但是其中间宿主仍不清楚.目前,除蝙蝠外,穿山甲被证明是唯一携带SARS-CoV-2相关冠状病毒的哺乳动物,因而被认为是可能的中间宿主.本研究利用表面等离子共振实验(surface plasmon resonance,SPR)展现和分析了SARS-CoV-2和两种穿山甲冠状病毒(pangolin-CoVs,GX/P2V/2017和GD/1/2019)分别与穿山甲ACE2(pangolin ACE2,pACE2)和人ACE2(human ACE2,hACE2)受体的结合能力,解析了SARS-CoV-2刺突蛋白(spike,S)受体结合域(receptor binding domain,RBD)与pACE2复合物的晶体结构,分辨率为2.3Å,发现SARS-CoV-2 RBD结合pACE2的模式与结合hACE2或猫ACE2(cat ACE2,cACE2)相似,但与hACE2更相近.通过同源建模的方式,进一步模拟了GX/P2V/2017 RBD和GD/1/2019 RBD分别与pACE2和hACE2受体的结合,发现二者结合pACE2和hACE2的方式与SARS-CoV-2 RBD相似,但晶体结构或同源建模的数据暗示,上述3种RBDs结合pACE2的能力均稍弱于hACE2,这与SPR的结论一致.这些研究结果不仅有助于我们更好地理解SARS-CoV-2的进化,而且警示我们穿山甲冠状病毒具有感染人的潜力,强调了持续监测穿山甲携带病毒的重要性,以防止病毒外溢,引起人类疾病.

降解1,3-二甲基-2-咪唑烷酮细菌的分离及功能评价

【背景】1,3-二甲基-2-咪唑烷酮(1,3-Dimethyl-2-Imidazolidinone,DMI)作为一种强极性非质子溶剂,在生产和应用过程的环境中有稳定残留问题,存在安全隐患。【目的】分离筛选具有降解DMI能力的微生物菌株,为清除环境中残留的DMI提供优良的微生物菌种资源。【方法】从DMI生产区域土壤采集样品分离DMI抗性微生物,采用形态学及分子生物学鉴定确定其分类地位,并对DMI降解能力进行测定。【结果】分离到最高能够耐受5%(体积分数)DMI的微生物菌株,形态学及分子生物学鉴定初步表明获得的菌株DT-1和DT-2为贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis);全细胞及细胞提取液均具有降解DMI的能力;其中菌株DT-1及其细胞提取液对1%(体积分数)DMI的降解率分别达到48%和68%。【结论】从DMI生产区域土壤中分离到具有DMI降解能力的芽孢杆菌,不但可为DMI污染的微生物治理提供优良微生物资源,而且扩展了人们对芽孢杆菌生物学功能的认识。

Gloeobacter violaceus视紫红质在大肠杆菌中的异源表达与功能评价

质子泵型视紫红质是一种在自然界广泛存在的简单光合系统,它可以结合视黄醛,在光照下将质子由胞内泵向胞外,形成质子梯度势,在一定程度上促进ATP的合成。在非光合工程菌中引入视紫红质将光能转化为化学能有助于促进微生物生长、生产以及提高细胞耐受性。文中在大肠杆菌Escherichia coli中异源表达了来自Gloeobacter violaceus PCC 7421的质子泵型视紫红质Gloeorhodopsin(GR),并验证了它的功能活性。在大肠杆菌中表达时,GR可以正确行使光驱质子泵功能,最大吸收波长位于539 nm。GR分布在细胞膜表面,没有在胞内形成包涵体。在通过核糖体结合位点(Ribosome binding site,RBS)优化的手段提升GR的表达水平之后,观察到了胞内ATP水平的提高,证实在特定的条件下,GR可以为异源宿主带来额外的能量补充。

氨甲酰磷酸不同合成途径在大肠杆菌中的比较

【背景】氨甲酰磷酸是生物合成代谢中精氨酸与嘧啶的重要前体物质,在工业微生物生产精氨酸与嘧啶及其衍生物中发挥关键作用。【目的】在大肠杆菌Escherichia coli BW25113中比较氨甲酰磷酸不同合成途径的催化效率。【方法】在大肠杆菌Escherichia coli BW25113中过表达鸟氨酸氨甲酰基转移酶(OTC)的基础上,分别过表达大肠杆菌自身的氨基甲酸激酶(CK)和氨甲酰磷酸合酶(CPSⅡ)并表征其反应效果。通过优化底物供应(调整底物浓度与引入L-谷氨酰胺合成酶)对CK与CPSⅡ的催化反应进行优化。【结果】在大肠杆菌中过表达OTC,建立细胞水平氨甲酰磷酸检测体系。在此基础上比较不同来源的CK,发现大肠杆菌来源的CK效果最好,50mmol/LNH4HCO3条件下全细胞催化9h得到2.95±0.15mmol/LL-瓜氨酸;过表达CPSⅡ时,50mmol/LL-谷氨酰胺催化9h得到3.16±0.29 mmol/L L-瓜氨酸。通过改变底物NH4HCO3浓度和引入外源L-谷氨酰胺合成酶(GS)等方式对CK与CPSⅡ的催化反应分别进行优化后,100 mmol/L NH4HCO3条件下,L-瓜氨酸浓度分别提高至4.67±0.55mmol/L和6.12±0.38mmol/L,且过表达GS后CPSⅡ途径可以利用NH3,不需要额外添加L-谷氨酰胺。【结论】引入L-谷氨酰胺合成酶后的CPSⅡ途径合成氨甲酰磷酸的能力优于CK途径,为精氨酸、嘧啶及其衍生物的合成提供了一种更加高效的策略。

适应性驯化选育高产吡咯喹啉醌的生丝微菌突变株

吡咯喹啉醌(PQQ)广泛存在于生物体内,具有促进机体生长、维护线粒体功能、促进神经生长因子合成和调节机体自由基水平等生理功能,在医药、食品和化妆品领域具有广阔的应用前景。为提高脱氮生丝微菌Hyphomicrobium denitrificans FJNU-6的PQQ生产性能,文中以高浓度甲醇为拮抗因子进行实验室适应性定向驯化,通过光谱法快速筛选体系,选育PQQ高产正突变株。6轮适应性驯化后,每轮驯化的正向突变率达到90%以上,产量提高1倍的突变株达到10%左右。最后,利用5L发酵罐对突变株FJNU-R8进行分批补料培养,相较于出发菌株,突变株在不同甲醇浓度下pqq和moxF基因簇的表达量较高且差异较小,甲醇消耗和生长速度较慢,PQQ产量达到1 087 mg/L (143 h),单位细胞产量提高了1.42倍,展现出良好的工业应用潜力。文中所述的适应性定向驯化结合快速筛选体系能简单、快速地获得高产PQQ的生丝微菌突变菌株,对其他甲基营养菌高产PQQ突变株的高通量筛选具有借鉴作用。