代谢工程改造Corynebacterium glutamicum生产L-苹果酸

以提高L-苹果酸的产量为目标,采用一次交换两次同源重组的方法,利用反向筛选标记,在敲除了丙酮酸醌氧化还原酶编码基因(pqo),丙酮酸脱氢酶编码基因(pdh)和乳酸脱氢酶编码基因(lldh)的C.glutamicumΔpqoΔpdhΔlldh(C.glutamicumΔPPL)基础上,无痕敲除了L-苹果酸积累支流代谢途径的2个关键酶基因:苹果酸醌氧化还原酶编码基因(mqo)和苹果酸酶编码基因(male),同时敲入了苹果酸分泌转运蛋白基因(transb),获得了产L-苹果酸的工程菌株;采用高效液相色谱法检测了工程菌株C.glutamicumΔPPLΔmqo::transbΔmale的发酵产物。实验结果表明:C.glutamicum ATCC 13032发酵后不积累L-苹果酸,而工程菌C.glutamicumΔPPLΔmqo::transbΔmale发酵48 h,积累了12.8 g/L的L-苹果酸,工程菌的糖酸转化率为33.18%,为利用C.glutamicum ATCC 13032发酵生产L-苹果酸提供了基础遗传资源。     

苯丙氨酸生物合成的整体代谢网络调控基因的敲除

csrA基因产物是大肠杆茵芳香族氨基酸生物合成途径中碳中心代谢有关的一种全局性调控蛋白质.采用Red敲除系统介导的同源重组的方法定位缺失大肠杆茵染色体csrA基因,经PCR、DNA测序等多种方法证实了基因剔除的可靠性.csrA基因剔除后,大肠杆菌芳香族氨基酸生物合成中受csrA表达产物负调控的关键酶的酶活力有所提高,而正调控的关键酶基因活性降低,突变菌株发酵生产苯丙氨酸的能力提高近13％.     

溶氧量对酿酒酵母及其工程菌的β-苯乙醇合成代谢的影响及调控效应

目的:研究溶氧量对酿酒酵母S288C及工程菌ARO8-10的β-苯乙醇合成代谢的影响及调控效应。方法:在5 L发酵罐中装液量60%,控制p H 5.0,温度30℃,通气比0.5~2.0 vvm,定时取样检测发酵液生物量、β-苯乙醇、L-苯丙氨酸转化率以及菌体相关代谢酶活性等。结果:通气条件在0.5~2.0 vvm范围时,野生型菌株S288C的生物量、异柠檬酸脱氢酶(ICDH)酶活力明显高于转氨酶基因ARO8与脱羧酶基因ARO10耦合过表达工程菌ARO8-10;ARO8-10的β-苯乙醇发酵产量、L-苯丙氨酸转氨酶、苯丙酮酸脱羧酶、G6PD、GK及PDC酶活力均明显高于S288C(P≤0.01)。在1.0 vvm通气条件发酵60 h时,ARO8-10的发酵液中葡萄糖已基本用尽,β-苯乙醇产量达到2.68 g/L,L-苯丙氨酸转化率达到47.3%,较S288C分别提高了44.4%和12.4%。1.0 vvm为β-苯乙醇发酵较适宜的通气条件。结论 :酿酒酵母的β-苯乙醇代谢与艾利希途径、莽草酸途径、EMP、PPP途径TCA循环等密切相关,构成其合成代谢网络,代谢途经多种酶相互影响;ARO8和ARO10基因耦合过表达,增强了L-苯丙氨酸氨基转移酶和苯丙酮脱羧酶活力,有利于提高G6PD、GK及PDC酶活力,β-苯乙醇代谢流量及产量。     

从头合成赤松素大肠杆菌工程菌的构建

赤松素是高价值芪类保健营养品白藜芦醇的类似物,具有预防心血管疾病、抗癌和治疗关节炎等与其相对应的多种生物活性。本研究采用基因工程手段创制出一种从头生物合成赤松素的方法,以缓解目前赤松素供求不足的问题。把带有苯丙氨酸解氨酶(PAL),肉桂酸辅酶A连接酶(4CL)和赤松素合酶(STS)编码基因的组成型表达载体转化高产L-苯丙氨酸大肠杆菌ATCC31884,并通过PCR鉴定后,获得重组工程菌株。工程菌进行摇瓶培养,对培养液进行高效液相色谱检测,确定工程菌具有生物合成赤松素的能力。随后通过对工程菌在不同培养时间产物生成量的比较,结果表明,赤松素在发酵12 h后增长缓慢,24 h培养液中的赤松素含量最高,为0.32 mg/L,而其中间体肉桂酸的积累最高达到52.92 mg/L。这表明,大肠杆菌工程菌能在不添加任何前体物的情况下,利用自身代谢从头合成赤松素,但中间体肉桂酸的转化能力不足,有待下一步实验进行改善。     

乳酸菌代谢途径的基因工程调控

随着乳酸菌基因工程技术的发展，对乳酸菌的代谢途径进行基因工程调控，可以使其产生除乳酸之外的其它具有重要工业用途的成分。通过对乳酸菌丙酮酸代谢途径中某些关键酶基因进行敲除或过量表达，可以使乳酸菌大量地产生双乙酰或L-丙氨酸；在乳球菌中过量地表达叶酸或核黄素生物合成的关键酶，可以促进这两种B族维生素的生物合成：对乳酸菌胞外多糖生物合成途径中的限制性步骤进行调控。可以有效地提高胞外多糖的产量。利用这种基因工程改造的乳酸菌可以开发新型功能性发酵食品。     

蛹虫草类胡萝卜素双加氧裂解酶基因的克隆及表达分析

目的:类胡萝卜素双加氧裂解酶(CCD)是类胡萝卜素生物合成途径中的一个关键酶。旨在鉴定并克隆蛹虫草中的CCD酶,通过相关生物信息学分析和荧光定量PCR探究其结构、功能聚类以及表达调控。方法:用GenBank登录的CCD酶基因序列与蛹虫草基因组比对,在保守区域设计1对引物,以蛹虫草基因组的DNA为模板对CCD酶基因进行扩增,扩增产物命名为car-TC。car-TC基因连接载体后由生物公司测序;序列通过多种生物信息学软件和在线工具分析;表达量随生长情况的变化关系通过实时荧光定量PCR进行测定。结果:克隆了car-TC基因,该基因长1 784 bp,编码一个577aa的蛋白质,该蛋白质含有CCD酶活性必需的4个组氨酸残基,系统发育进化分析表明该蛋白和棒束菌、白僵菌的同源蛋白聚在同一簇,实时荧光定量PCR结果表明该蛋白的表达量随生长时间的延长而减少。结论:获得一个类胡萝卜素合成途径中的关键酶——双加氧裂解酶基因car-TC,该基因的表达主要受时序调控,随生活周期的进行有逐渐降低的趋势。     

树莓RiPAL1基因克隆及生物信息学分析

苯丙氨酸解氨酶（Phenylalanine Ammonia Lyase,PAL）是苯丙烷类代谢的关键酶,能调节树莓中黄酮类的生物合成。为了深入研究树莓中RiPAL1基因的功能与调控机制,以树莓果实为材料提取总RNA,合成cDNA第一链,然后成功克隆出树莓果实RiPAL1基因,并对其进行了相关的生物信息学分析。结果表明,RiPAL1基因的编码序列（Coding Sequence,CDS）全长为2 133 bp,编码710个氨基酸,分子量为77.50 ku,等电点为6.21。RiPAL1蛋白疏水性最大值为4.50,最小值为-4.50,平均疏水指数为-0.49,为亲水性蛋白,无跨膜结构,无信号肽。含有4个N糖基化位点和67个特异性激酶位点,二级结构以α螺旋为主,三级结构为同型四聚体。多序列比对显示RiPAL1蛋白具有典型的苯丙氨酸解氨酶保守结构域,系统进化分析表明RiPAL1蛋白与同科植物草莓亲缘关系最近。该研究可为深入研究RiPAL1基因参与树莓果实黄酮类物质生物合成的分子机制提供参考。     

在酿酒酵母中重构棉子糖生物合成途径的基础研究

研究了在酿酒酵母中重构棉子糖生物合成途径,为后续高效生物合成棉子糖细胞工厂的构建奠定基础。敲除酿酒酵母中能降解棉子糖的蔗糖酶与α-半乳糖苷酶的基因构建出E1(Δsuc2::Δmel1);在此基础上,构建单基因表达拟南芥肌醇半乳糖合成酶基因gols1与gols3及棉子糖合成酶基因sip1与sip5的工程菌株,及构建双基因组合表达(gols1::sip1、gols1::sip5、gols3::sip1与gols3::sip5)工程菌株;比较工程菌株代谢产物如肌醇、UDP-半乳糖、肌醇半乳糖、蔗糖及棉子糖等生成情况,验证在酿酒酵母中重构棉子糖生物合成途径的可行性。研究表明,通过共表达外源肌醇半乳糖合成酶及棉子糖合成酶基因,并敲除能降解棉子糖的蔗糖酶与α-半乳糖苷酶的基因,在酿酒酵母中实现了棉子糖生物合成途径的重构;肌醇半乳糖合成酶与棉子糖合成酶基因的不同共表达组合,棉子糖生成量有差异;重构的棉子糖生物合成途经改变了酿酒酵母原始菌株的代谢流量。     

aurT基因对金褐霉素生物合成的调控及其作用机制

通过分子克隆技术获得了金褐霉素生物合成基因簇中新基因aurT(Genbank登录号:MH247109.1),并利用高效表达、基因敲除、高效液相色谱(HPLC)和生物信息学技术分析了aurT基因功能及其对金褐霉素生物合成的调控作用,以期为提高金褐霉素发酵产量奠定理论基础。研究结果表明:AurT属于RhtB家族调节因子,是金褐霉素生物合成的氨基酸转运蛋白;aurT基因高效表达菌株(♂aurT)的金褐霉素产量增加了1.3倍;aurT基因敲除菌株(ΔaurT)的金褐霉素产量减少了65%,但金褐霉素的产量没有完全被抑制,说明aurT对金褐霉素生物合成的调控过程不同于途径特异性调控基因aurJ3M。比较了4种不同的PI因子结构类似物(1,2-丙二醇、丙三醇、乙二醇、三乙醇胺)对金褐霉素合成的调控作用,结果表明:0.4 mL的丙三醇对金褐霉素生物合成的调节效果最佳;发酵时间达到96 h时,外源添加丙三醇后,ΔaurT菌株的金褐霉素产量为784μg/mL,而未添加的产量为244μg/mL;进一步通过R T-PCR反应验证在野生型菌株培养中添加丙三醇后,增加了aurT基因的转录水平和表达,说明PI因子结构类似物与基因簇中的特异性受体结合并启动了相关基因的表达,aurT是通过介导PI因子的胞外运输来参与金褐霉素的生物合成与调控的。     

烟草硝酸还原酶基因NIA1启动子互作蛋白的筛选

硝酸还原酶是植物氮同化过程中的关键酶和限速酶。为更好地调控硝酸还原酶基因的表达,本实验克隆了烟草硝酸还原酶基因NIA1上游938bp的启动子区域,构建了烟草cDNA基因表达文库,应用酵母单杂交技术筛选NIA1启动子序列互作蛋白。通过序列测定和生物信息学分析,共筛选出9个互作蛋白cDNA。其中,功能不明确的预测蛋白7个,具有明确功能信息的蛋白2个,分别为含有CRM结构域的CFM3蛋白（No.71）,和烟草亚硫酸盐氧化酶类似蛋白Sulfite oxidase-like蛋白（No.126）。这些蛋白均为NIA1启动子序列互作蛋白,可能作为转录因子参与NIA1基因的转录调控过程。      

代谢工程优化大肠杆菌高效合成L-苯丙氨酸

为获得1 株稳定高产的L-苯丙氨酸工程菌株,利用规律间隔成簇短回文重复序列/Cas9技术,在大肠杆菌W3110中引入已解除反馈抑制的分支酸变位酶/预苯酸脱水酶PheA,随后利用不同强度的启动子对莽草酸途径中各反应酶进行调控,并通过摇瓶发酵确定了莽草酸途径各步反应酶的最适表达强度,最后通过增加前体物磷酸烯醇式丙酮酸供应,获得了1 株性能最佳的L-苯丙氨酸工程菌株PHE12。利用该菌株进行摇瓶发酵24 h,L-苯丙氨酸产量达20.5 g/L。利用发酵罐分批补料发酵48 h后,L-苯丙氨酸产量达81.8 g/L,与目前文献报道的最高产量相比产量提高了12.2%,生产强度和糖酸转化率（葡萄糖计）分别为1.7 g/（L·h）和0.24 g/g,工业前景良好。     

敲除ptsG基因及共表达透明颤菌血红蛋白提高大肠杆菌SHMT产量

利用Red同源重组技术敲除大肠杆菌BL21(DE3)的ptsG基因,得到ptsG基因缺失菌株BL21(DE3)ΔptsG。构建重组质粒,得到表达大肠杆菌丝氨酸羟甲基转移酶(serine hydroxymethyltransferase,SHMT)工程菌株BL21(DE3)/pET-glyA、BL21(DE3)ΔptsG/pET-glyA,及共表达SHMT和透明颤菌血红蛋白(Vitreoscilla hemoglobin,VHb)工程菌株BL21(DE3)ΔptsG/pET-SV。在LB培养基中,BL21(DE3)ΔptsG/pET-glyA菌株与BL21(DE3)/pET-glyA菌株生长情况没有明显差异,BL21(DE3)ΔptsG/pET-SV菌株稳定期的OD 600 nm值比BL21(DE3)ΔptsG/pET-glyA菌株提高了21.3%,在LBG培养基中,稳定期BL21(DE3)ΔptsG/pET-glyA菌株OD600 nm值比BL21(DE3)/pET-glyA菌株提高了19.4%,BL21(DE3)ΔptsG/pET-SV菌株OD600 nm值比BL21(DE3)ΔptsG/pET-glyA菌株提高了21.5%。在LBG培养基中,经过异丙基-β-D-硫代半乳糖苷诱导,与对照菌株BL21(DE3)/pET-28a相比较,两种单表达工程菌株产SHMT活力分别是其6.4倍和7.7倍,共表达工程菌株产SHMT活力是其9.6倍。实验结果表明,敲除ptsG基因能够增加大肠杆菌在含葡萄糖培养基中的生长量及SHMT表达量,共表达VHb能进一步提高菌株生长量和SHMT产量。     

Acquisition of antibiotic resistance plasmids by enterohemorrhagic Escherichia coli O157:H7 within rumen fluid

The emergence of antibiotic resistance among important foodborne pathogens like Escherichia coli O157:H7 has become an important issue with regard to food safety. In contrast to the case for Salmonella, antibiotic resistance has been slow in its development in E. coli O157:H7 despite the presence of mobile antibiotic resistance genes in other E. coli organisms that inhabit the same animal host. We set out to determine if rumen fluid influences the transfer of plasmid-mediated, antibiotic resistance to E. coli O157:H7. A commensal E. coli strain from a dairy cow was transformed with conjugative R plasmids and served as the donor in matings with naladixic acid-resistant E. coli O157:H7. R plasmids were transferred from the donor E. coli strain to E. coli O157:H7 in both Luria-Bertani (LB) broth and rumen fluid. R plasmids were transferred at a higher frequency to E. coli O157:H7 during 6 h of incubation in rumen fluid at rates comparable to those in LB broth, indicating that conditions in rumen fluid favor the transfer of the plasmids to E. coli O157. This finding suggests that the cow's rumen is a favorable environment for the genetic exchange of plasmids between microflora and resident E. coli O157:H7 in the bovine host.     

生物合成对香豆酸大肠杆菌工程菌的构建

对香豆酸是一种具有预防心血管疾病、抗氧化和抗菌消炎等生物活性的酚类物质,同时,它也是高价值苯丙烷类保健营养品(如白藜芦醇)的前体。本研究希望创制出一种生物合成对香豆酸的方法,以缓解对香豆酸的供求问题。把带有粘红酵母(Rhodotorula glutinis)酪氨酸解氨酶(Rg TAL)基因的组成型表达载体转化大肠杆菌ATCC31884,并通过PCR鉴定后,获得重组菌株。对重组菌株进行发酵培养,对发酵液进行高效液相色谱检测,确定工程菌具有生物合成对香豆酸的能力。随后通过优化L-酪氨酸的添加量和工程菌的发酵时间,最终确定,底物L-酪氨酸的添加量为0.5 m M,发酵时间为36 h,检测发酵液中的对香豆酸含量最高,为161.23 mg/L。这表明,Rgtal基因在重组大肠杆菌中成功得到了表达,并且能利用自身代谢和外源添加的L-酪氨酸生物合成对香豆酸。     

构建高效糖配体再生重组菌生物催化合成莱鲍迪苷D

利用拟南芥（Arabidopsis thaliana）蔗糖合酶AtSUS3构建活化糖配体尿苷二磷酸葡萄糖（uridine diphosphate glucose,UDPG）再生体系,与高效催化莱鲍迪苷D（rebaudioside D,RD）合成的糖基转移酶协同偶联完成RD的高效生物催化。从拟南芥cDNA克隆获得AtSUS3基因,将其装配至pET28a获得表达质粒pLW105,随后pLW105与携带糖基转移酶EUGT11基因的质粒共转化大肠杆菌BL21（DE3）构建双酶共表达工程菌。在不添加UDPG或者尿核苷二磷酸（uridine diphosphate,UDP）的条件下,以上述双酶共表达工程菌全细胞催化莱鲍迪苷A（RA）获得的底物摩尔转化率大于80%,RD产量达到930?mg/L。随后构建双酶基因串连质粒pLW108及双酶共表达大肠杆菌BL21（DE3）工程菌。用串连质粒构建的工程菌催化效果与双质粒共转化相同。采用共表达双酶工程菌的发酵破碎粗酶进行催化,结果显示以粗酶催化可简化催化体系,并可将细胞催化体系所需高质量浓度蔗糖用量降至质量浓度5 g/100 mL,同时在不添加外源UDPG的条件下实现RD的高效生物催化,RA底物摩尔转化率达到93%,RD产量约为1?051?mg/L。     

Amplification of the NADPH-related genes zwf and gnd for the oddball biosynthesis of PHB in an E. coli transformant harboring a cloned phbCAB operon

NADPH, a major reducing power in microorganisms, is mostly generated from the pentose phosphate (PP) pathway by glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PDH) and 6-phosphogluconate dehydrogenase (6PGDH) expressed by the zwf and gnd genes, respectively. The characteristics of these two genes in Escherichia coli were compared after their re-introduction into the parent strain for over-expression. zwf encoding G6PDH increased the level of NADPH 3 folds compared to gnd encoding 6PGDH. An excess of NADPH depressed cell growth mainly due to the inhibition of citrate synthase in the TCA cycle. Recombinant plasmids containing zwf or gnd co-integrated with the phbCAB operon from Ralstonia eutropha were constructed, and introduced into E. coli for the oddball biosynthesis of PHB. The amount of PHB increased after enforcing the genes; especially the zwf gene an increase of around 41%, due to the rise in NADPH and the depressed TCA cycle, leading to the metabolic flux of intermediates to the pathway for the biosynthesis of PHB.     

High sucrose concentration protects E. coli against high pressure inactivation but not against high pressure sensitization to the lactoperoxidase system

The inactivation of Escherichia coli by high hydrostatic pressure treatment at up to 550 MPa and 20 degrees C was studied in potassium phosphate buffer containing high concentrations of sucrose. E. coli strain MG1655 was pressure-sensitive in the absence of sucrose, but became highly pressure resistant in the presence of 10% to 50% (w/v) sucrose. The pressure resistance of E. coli strain LMM1010, a previously described derivative of MG1655 that is pressure resistant in the absence of sucrose, was further increased in the presence of sucrose, to a similar level as for strain MG1655 in the presence of sucrose. When cell suspensions of either strain were stored after pressure treatment for 24 h at 20 degrees C, a further reduction of the plate counts indicative of pressure induced sublethal injury was observed, that was positively correlated with pressure intensity and negatively with sucrose concentration. Addition of the lactoperoxidase system to the cell suspensions strongly enhanced high pressure inactivation of E. coli at high sucrose concentrations. Using a pressure intensity of only 250 MPa, both E. coli strains were sensitized for the lactoperoxidase system in up to 30% (w/v) sucrose, resulting in at least 10(6)-fold inactivation within 24 h or less after pressure treatment. For comparison, a pressure treatment at 250 MPa in the absence of the lactoperoxidase system did not cause any inactivation of either strain even in the absence of sucrose. At sucrose concentrations above 30% (w/v), no or very little inactivation occurred even in the presence of the lactoperoxidase system.     

利用大肠杆菌tyrB-aspA基因串联表达制备L-苯丙氨酸

从大肠杆菌K12菌株中获得tyrB和aspA基因,将2个基因串联并克隆到pλPR质粒上,然后转化到E·coliP2392菌株进行表达。相应酶活力和氨基酸产量检测结果表明,单基因表达和双串联基因串联表达菌株的酶活性成倍提高,与原始菌株相比,AspA活力分别提高243%与239%,TyrB活力分别提高到247%和236%。以基因双串联表达菌株E·coliPBA的菌体悬浮液为酶原,以铵盐、反丁烯二酸和苯丙酮酸为酶转化底物,反应3h后,苯丙酮酸转化苯丙氨酸的效率为93%,苯丙氨酸产率达到0·6g/(g·h)(细胞),是对照菌株的4·7倍。     

异硫氰酸苄酯、乳酸链球菌素和麝香草酚复配物的抑菌活性

为提高天然活性成分对食源性致病菌金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌效果,本研究利用棋盘法将异硫氰酸苄酯、乳酸链球菌素和麝香草酚两两之间进行复配,并结合基于LA非参数模型的FICI模型和BI非参数模型的ΔE模型对抑菌结果进行评价。结果表明,异硫氰酸苄酯复配物-乳酸链球菌素的FICI值为0.2917<0.5,∑ΔE值的绝对值为451.74%>200%,评价结果为强协同作用;乳酸链球菌素-麝香草酚复配物的FICI值为0.5833>0.5,∑ΔE值的绝对值为19.73%<100%,评价结果为弱拮抗作用;异硫氰酸苄酯-麝香草酚复配物的FICI值为1.5000>0.5,∑ΔE值的绝对值为219.86%>200%,评价结果为强拮抗作用。总之,除了异硫氰酸苄酯-乳酸链球菌素复配物对金黄色葡萄球菌ATCC25923具有强协同抑菌作用外,其他组合无论是对金黄色葡萄球菌ATCC25923还是大肠杆菌MG1655的协同抑菌效果均不明显。