重组大肠杆菌S3-2产羰基还原酶发酵工艺优化及动力学研究

以重组大肠杆菌S3-2为发酵菌株,通过单因素实验和正交实验对重组大肠杆菌S3-2产羰基还原酶的1 L发酵罐发酵工艺进行优化,并通过Logistic方程和Luedeking-Piret方程对重组大肠杆菌S3-2分批发酵产羰基还原酶的动力学过程进行模拟。结果表明,重组大肠杆菌S3-2的最佳发酵工艺为：IPTG在OD₆₀₀值为1.0时诱导、IPTG终浓度为0.30 mmol·L^-1、种子液OD₆₀₀值为3.0时接种、诱导温度为26℃,在此条件下,菌体细胞干重为1.586 g·L^-1、羰基还原酶酶活为0.712 U·mL^-1;菌体生长、羰基还原酶酶活及甘油消耗的动力学模型的拟合度分别为0.988 3、0.991 7和0.980 7,说明该模型对重组大肠杆菌S3-2的发酵动力学模型拟合良好,为后续中试放大研究提供了理论依据。     

产青蒿二烯的人工酵母细胞的构建及发酵优化

为了异源合成抗疟疾药物青蒿素重要前体青蒿二烯, 以酿酒酵母作为底盘细胞, 利用基因工程手段构建功能人工酵母细胞。为提高基因拷贝数, 并增加重组菌株基因型的稳定性, 选择酵母基因组中多拷贝位点Delta为整合点, 实现酿酒酵母内源基因tHMGR和ERG20的过表达以及外源基因ADS的整合。过表达tHMGR和ERG20基因增加了酵母体内半萜类物质共同前体法尼基焦磷酸FPP的积累量;而导入外源基因ADS, 实现了酵母生产青蒿二烯。经过摇瓶发酵优化实验, 人工酵母菌株青蒿二烯产量为225.3 mg·L^-1;为了进一步提高青蒿二烯产量, 经过发酵过程优化和补料策略, 人工酵母菌株在5 L发酵罐中青蒿二烯产量达到1.05 g·L^-1。     

过表达谷氧还蛋白基因GRX5提高酿酒酵母乙酸耐性

利用可再生的纤维素原料生产燃料乙醇是国内外研究的热点。但纤维素原料一些预处理过程产生的乙酸对酿酒酵母细胞生长和乙醇发酵产生强烈抑制,因此,提高酿酒酵母细胞的乙酸耐受性是提高纤维素乙醇发酵效率的重要手段。本文研究了谷氧还蛋白家族中GRX5p的编码基因的过表达对酿酒酵母在乙酸胁迫条件下细胞生长和发酵性能的影响。结果表明,过表达GRX5的重组菌株在含有5 g·L^-1乙酸的平板中生长优于对照菌株;在含有5 g·L^-1乙酸的培养基中进行乙醇发酵,过表达GRX5的重组菌株可在48 h基本消耗培养基中所有的葡萄糖,发酵周期比对照菌株缩短了12 h。过表达GRX5菌株的乙醇生产强度为0.897 g·L^-1·h^-1,比对照提高了28.5%。代谢物分析结果表明,过表达GRX5的重组菌株可产生更多的保护性物质海藻糖和甘油,有利于增强菌株胁迫耐受性。     

诱导型和组成型启动子对酿酒酵母合成紫杉二烯的影响

近年来利用合成生物学手段生产萜类化合物逐渐成为一种趋势。诱导型和组成型启动子调控萜类的生产各有利弊,而启动子类型的选择需要根据特定体系和产物来进行具体分析。本工作针对紫杉醇关键前体紫杉二烯的合成,分别研究了酵母细胞中诱导型启动子和组成型启动子的调控。首先通过过表达酵母内源截短的羟甲戊二酰辅酶A基因(thmgr)和法尼基焦磷酸合酶基因(erg20),实现了对酵母内源模块的调控。随后向改造后的底盘细胞中整合入诱导性启动子调控的外源紫杉二烯合成模块,得到了紫杉二烯产量为5.2 mg·L^-1的人工酵母。而换用组成型启动子tdh3p调控时,产量达到11.5 mg·L^-1,说明对于这个体系组成型启动子更为适合。通过简单的发酵条件优化,该菌株产量提升了70%,达到19.5 mg·L^-1。组成型启动子调控的菌株可以利用葡萄糖作为碳源,因而更利于后续大规模发酵。     

重组真菌腈水解酶的发酵工艺条件及生物催化特性初探【需加急】

对产真菌腈水解酶的重组大肠杆菌的培养基种类、培养基成分、诱导剂种类和浓度、诱导条件、p H和温度进行了系统考察。摇瓶发酵优化结果显示:以甘油作为主要碳源,蛋白胨和酵母膏作为主要氮源,并添加微量元素的SOC培养基作为发酵培养基,最适接种量为0.5%;较优的诱导剂诱导条件为:采用0.5 mmol/L的IPTG诱导12 h,发酵p H=7.5,诱导温度25℃时产酶效果最佳。经过优化后,重组酶的酶活得到了显著提高,总酶活最高达到了3.84 U/m L,相比初始水平(0.84 U/m L)提高约4倍。5 L发酵罐的放大实验表明,产酶效果良好,总酶活和比酶活均与摇瓶水平基本持平。全细胞催化性质考察研究结果表明,该菌株所产腈水解酶催化反应的最适催化反应温度是45℃,最适反应p H约为7.2。     

重组真菌腈水解酶的发酵工艺条件及生物催化特性初探

对产真菌腈水解酶的重组大肠杆菌的培养基种类、培养基成分、诱导剂种类和浓度、诱导条件、p H和温度进行了系统考察。摇瓶发酵优化结果显示:以甘油作为主要碳源,蛋白胨和酵母膏作为主要氮源,并添加微量元素的SOC培养基作为发酵培养基,最适接种量为0.5%;较优的诱导剂诱导条件为:采用0.5 mmol/L的IPTG诱导12 h,发酵p H=7.5,诱导温度25℃时产酶效果最佳。经过优化后,重组酶的酶活得到了显著提高,总酶活最高达到了3.84 U/m L,相比初始水平(0.84 U/m L)提高约4倍。5 L发酵罐的放大实验表明,产酶效果良好,总酶活和比酶活均与摇瓶水平基本持平。全细胞催化性质考察研究结果表明,该菌株所产腈水解酶催化反应的最适催化反应温度是45℃,最适反应p H约为7.2。     

重组大肠杆菌产耐热α-L-鼠李糖苷酶高密度发酵条件的优化

为了减少乙酸的生成,提高重组大肠杆菌生产耐热α-L-鼠李糖苷酶的产量,考查了指数流加培养、两阶段指数流加培养、诱导温度、诱导pH对重组大肠杆菌发酵生产耐热α-L-鼠李糖苷酶(TstRhaA)过程中乙酸含量和酶产量的影响。确定最佳发酵工艺：诱导前比生长速率0.2 h^-1,诱导后比生长速率0.18 h-1,诱导温度33℃,p H 7.2。在最佳发酵工艺条件下,乙酸浓度始终保持在0.8 g/L以下,菌体干重(DCW)最大为69.6 g/L,最高酶活力为589.0 U/mL,是摇瓶发酵的23.4倍,实现了重组大肠杆菌高密度发酵生产TstRhaA。研究结果表明,调节大肠杆菌高密度发酵过程中乙酸含量在合适范围内,能够实现TstRhaA的高效生产,这对其他酶的高密度表达具有重要指导意义。     

嗜盐单胞菌利用乙酸盐合成PHB的研究

首先测试了嗜盐单胞菌Halomonas sp.TD1.0对乙酸钠的耐受性,结果显示乙酸钠浓度由25 g·L^-1提高到100 g·L^-1时对TD1.0生长的抑制率只有45.8%。在摇瓶培养中,TD1.0在36 h内消耗完27.3 g·L^-1乙酸钠,细胞干质量达到9.6 g·L^-1,其中PHB质量分数为61%,表明该菌株具有很好的高浓度乙酸钠耐受性和利用乙酸合成PHB的特性。随后为进一步提高乙酸钠的利用速度,在TD1.0中分别用高拷贝和低拷贝表达载体表达了来自枯草芽孢杆菌的乙酰辅酶A合成酶基因acs,结果显示,含有高拷贝表达质粒的菌株TD-PN59的乙酸盐平均利用速率为0.91 g·L^-1·h^-1,比 TD1.0提高了19.7%。TD-PN59的细胞干质量和PHB质量分数分别达到9.98 g·L^-1和65%,PHB产量达到6.49 g·L^-1,比TD1.0提高了约10.8%。在以葡萄糖和乙酸钠为混合碳源(10 g·L^-1 Glu和10 g·L^-1 NaAC)的培养基中,利用低拷贝载体表达acs的TD-PN85菌株的乙酸钠利用速率显著高于TD1.0,并且在一定程度上缓解了碳分解代谢物阻遏现象(CCR),促进了葡萄糖和乙酸钠的共利用。     

用乳糖作为诱导剂进行重组蛋白的表达

目的研究用乳糖替代IPTG作为诱导剂进行重组蛋白的表达。方法以表达SARS刺突蛋白片段的工程菌BL21(DE3)/S为模型菌株,采用葡萄糖、甘油作为碳源,不同浓度的乳糖和异乳糖作为诱导剂,在摇瓶中进行表达实验。在40L发酵罐中进行验证。结果在摇瓶实验中,乳糖浓度大于0.5mmol/L即可以很好地诱导目的蛋白的表达,表达量与IPTG诱导时相当;葡萄糖的存在可以抑制乳糖,但不能抑制异乳糖的诱导作用;使用甘油作为碳源,既不抑制乳糖,也不抑制异乳糖的诱导作用。在发酵罐实验中,诱导初始阶段葡糖糖的存在抑制乳糖的诱导作用。结论在以乳糖操纵子为调控手段的工程菌表达系统中,可以使用乳糖作为诱导剂,诱导阶段应采用非葡萄糖碳源。     

生物合成7-脱氢胆甾醇酵母底盘的初探

7-脱氢胆甾醇是生产维生素D₃的关键前体,目前利用化学合成和生物转化生产7-脱氢胆甾醇的方法无法适应大规模工业生产的需要,合成生物学的出现为次级代谢物的异源合成提供了新的选择,酿酒酵母和解脂酵母都是适用于工业生产的底盘生物。在酿酒酵母中,麦角固醇合成途径会抑制7-脱氢胆甾醇的合成,通过敲除麦角固醇合成途径上的非必需基因erg5并引入人源的C24还原酶基因dhcr24,可以实现在酿酒酵母中生产7-脱氢胆甾醇,摇瓶发酵产量为2.62 mg·L^-1。解脂酵母中7-脱氢胆甾醇的合成不受麦角固醇的影响,通过将人源的dhcr24基因整合到基因组rDNA位点上,7-脱氢胆甾醇的产量最高达到27.91 mg·L^-1。为寻找适合于异源表达甾醇类次级代谢物的酵母底盘提供了可供借鉴的研究方法,具有一定的指导意义。     

重组大肠杆菌的构建及利用木糖生产木糖醇的研究

xylB基因失活可以降低木酮糖的磷酸化,使木糖还原为木糖醇而不进入PPP途径。利用Red重组技术构建xylB缺失大肠杆菌DxylB/E.coli BL21(DE3)可以提高木糖醇的产率。通过PCR克隆得到来自Neurospora crassa的木糖还原酶基因xr,将该基因与载体p ET30a(+)连接构建表达质粒p ET30a-xr;PCR克隆得到来自E.coli K-12的6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶(6-phosphogluconate dehydrogenase,6-PGDH)基因gnd和葡萄糖6-磷酸脱氢酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase,G6PDH)基因zwf,依次与双启动子原核表达载体p CDFDute-1连接构建表达质粒p CDFDuet-gnd-zwf;将上述构建好的两个重组质粒同时转化到DxylB/E.coli BL21(DE3)宿主体内。经异丙基-?-D-硫代半乳糖苷(IPTG)诱导表达获得分子量约为38、51、54 k D的三种蛋白,酶活测定显示,重组菌种XR的比酶活为7.25 U×mg-1,6-PGDH的比酶活为2.26 U×mg-1,G6PDH的比酶活为1.31 U×mg-1。5 L发酵罐发酵结果显示,xylB基因敲除可以提高木糖醇的产率,含NADPH再生系统的菌株木糖醇的体积产率是1.04 g×(L×h)-1,比只含有木糖还原酶的重组菌株0.88 g×(L×h)-1高24.32%,为后续工业化利用大肠杆菌生产木糖醇奠定了基础。     

黄色短杆菌ilvN基因定点突变和ilvBN、ilvC串联表达对L-缬氨酸产量的影响

由ilvBN、ilvC基因编码的乙酰羟酸合成酶（AHAS）和乙酰羟酸异构还原酶（AHAIR）是L-缬氨酸合成途径的两个关键酶。本实验以黄色短杆菌Brevibacterium flavum MD515为出发菌株,通过PCR技术扩增其ilvBN和ilvC基因,对调节亚基ilvN进行定点突变,获得抗反馈抑制突变型编码基因ilvBN^rC;然后将其插入穿梭表达载体pZ8-1中,构建串联表达质粒pZ8-1-ilvBN^rC并转化出发菌株,筛选获得工程菌株B.flavum MD515/pZ8-1-ilvBN^rC。摇瓶发酵该工程菌株L-缬氨酸产量达29.5 g·L^-1,较出发菌株提高27.7%,同时生长速度和生物量也比出发菌株有所提高,丙氨酸含量降低,L-亮氨酸及L-异亮氨酸含量提高。在30 L发酵罐连续补料发酵60 h后L-缬氨酸产量达61.7 g·L^-1,糖酸转化率为39.2%。菌株MD515/pZ8-1-ilvBN^rC发酵液透光率较出发菌株高且蛋白含量低,这些特性有利于发酵液后期的分离提取。     

大孔离子交换树脂在重组大肠杆菌生产hEGF中的原位分离作用

引　言乙酸是重组大肠杆菌培养过程中的主要代谢副产物[1,2 ] ,乙酸的产生和积累对重组菌的生长和外源蛋白表达都有严重的抑制作用[3,4 ] .许多研究者对此开展了多方面的研究 ,如通过代谢工程手段构建乙酸酶缺陷菌株作为宿主菌来减少乙酸的产生[5] 、采用发酵 /分离耦合技术除去或降低乙酸量[6～ 8] 、透析培养技术[9,10 ] 、控制菌体的比生长速率及限制基质葡萄糖浓度等方法 .　　　本实验室开展了重组大肠杆菌分泌性高效表达人表皮生长因子 (humanepidermalgrowthfactor ,hEGF)的研究 ,发现在重组菌培养过程中乙酸的积累对重组菌生长和hEGF表达有严重抑制作用 .本文开展了高效吸附乙酸的离子交换树脂筛选 ,并在摇瓶和发酵罐规模两个水平上研究离子交换树脂在重组大肠杆菌发酵生产hEGF过程中对乙酸的原位分离作用 .1　材料与方法1 1　菌株与质粒E coliJM10 1/pSP10 3,本研究所保存的高效分泌型hEGF的重组大肠杆菌 .1 2　培养基及培养方法种子培养基和发酵培养基 ,种子培养、摇瓶培养及 2 5LB Braun发酵罐培养的条件参照文献[11],其中发酵培养基中...     

重组瑞替普酶包涵体制备及其体外复性

将携带重组瑞替普酶(reteplase, rt-PA)的质粒成功转化到大肠杆菌BL21(DE3)后,诱导表达获得包涵体,考察了诱导剂浓度、培养温度和培养时间等条件对目标蛋白表达量的影响。在此基础上,对高效表达的rt-PA包涵体体外复性过程进行了详细研究。首先利用单因素实验考察了复性液pH、GSH浓度、GSH/GSSG比例、蛋白浓度等各种复性条件对复性效果的影响;并结合正交实验设计,进一步研究了高蛋白浓度下复性后rt-PA酶活变化情况。以0.2 mmol·L^-1 IPTG诱导,在33℃下培养6 h,每升发酵液约可获得1.7 g粗制包涵体。适宜的复性条件为蛋白浓度50 mg·ml^-1,pH 10.0,GSH浓度1 mmol·L^-1,GSH/GSSG比例8,复性收率为87.2%。影响高蛋白浓度下rt-PA复性的关键因素为复性液初始pH及GSH浓度,在800 mg·ml^-1蛋白浓度下复性后rt-PA比活可达7.54×10⁴ IU·mg^-1,荧光光谱分析结果表明复性后rt-PA恢复了其天然态结构。     

转氨酶ATA117基因在大肠杆菌BL21(DE3)中的重组表达及产酶条件优化

采用基因工程的方法构建重组大肠杆菌得到重组菌Eco(p ETDuet-ATA117),实现了转氨酶ATA117的重组表达。使用响应面法对重组大肠杆菌摇瓶发酵产酶培养基进行了优化并对转氨酶诱导条件进行研究。首先采用二水平部分因子设计筛选确定培养基中对转氨酶ATA117酶活有显著影响的3种培养基组分,即甘油、酵母粉和胰蛋白胨。然后进行最陡爬坡实验确定最佳响应面区域,最后通过Box-Behnken设计确定各成分的最佳浓度。采用该优化培养基,转氨酶酶活为391.7 U/L,分别是基础培养基和单因素优化培养基酶活的3.13倍和1.22倍。对转氨酶的诱导条件进行了研究,得出最适诱导温度24℃,光密度值(OD)为0.8,此条件下进行诱导,异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)浓度1 mmol/L,诱导时间15 h,最终转氨酶活力达到713.7 U/L。     

产磷脂酶菌株的筛选鉴定及其应用

采用磷脂平板初筛和摇瓶复筛,从富油土样中筛选得到一株产磷脂酶菌株BIT-18。经菌株形态特征、生理生化特征及16S rRNA序列分析,鉴定其为荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）。以磷脂标准品（1-棕榈酰-2-油酰-Sn-甘油-3-磷脂酰胆碱）为底物,通过气相色谱分析反应产物的脂肪酸成分,定性鉴定P.fluorescens BIT-18表达的磷脂酶为B型磷脂酶。该酶为低温酶,最适温度和pH值分别为25℃和6.5,低浓度的金属离子有利于其酶促反应进行。以磷脂酶B为催化剂在自制间歇式反应器中对大豆油进行酶法脱胶,在加酶量500 U·kg^-1,加水量2%,温度40℃,pH 4.7的条件下反应6 h,脱胶油磷含量由90.1 mg·kg^-1降至4.6 mg·kg^-1,脱胶率高达94.9%,显示出良好的应用前景。     

MBP融合肝素酶Ⅲ大肠杆菌高效表达体系构建

肝素酶Ⅲ（heparinase Ⅲ,HepC）是一种重要的多糖裂解酶,在抗癌药物开发、低分子量肝素生产以及肝素类药物的质量控制等方面具有重要的作用。目前制约其工业应用前景的主要技术瓶颈是生产成本高,异源重组表达效果差,缺乏高效的表达方法。本研究借鉴前期经验,通过HepC基因的密码子优化,并与麦芽糖结合蛋白（maltose-binding protein,MBP）融合,构建了MBP-coHepC（基因密码子优化后的蛋白为coHepC）的大肠杆菌表达体系,结合培养条件优化大幅度提高了HepC的可溶表达比例,其摇瓶发酵总酶活值达到7603.46 IU·L^-1;同时,本研究从转录和翻译水平揭示了HepC表达效果提高的可能原因。这些研究为肝素酶Ⅲ的应用发展提供了基础。     

重组大肠杆菌利用D-木糖合成D-1,2,4-丁三醇

1,2,4-丁三醇(1,2,4-butanetriol, BT)是一种重要的有机合成中间体。通过克隆表达恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida ATCC12633)2-酮酸脱羧酶(mdlC)和新月柄杆菌(Caulobacter crescentus CB15)D-木糖脱氢酶(xdh),敲除木糖利用和D-1,2,4-丁三醇合成中间代谢物分解途径中关键基因木糖异构酶(xylA)和2-酮酸醛缩酶(yjhH和yagE),重构大肠杆菌代谢网络,得到了能够将D-木糖转化为D-1,2,4-丁三醇的重组菌株。考察了温度、装液量、pH控制等条件对重组菌株合成D-1,2,4-丁三醇的影响,在适宜条件下发酵36 h后D-1,2,4-丁三醇产量达到3.96 g·L^-1。探讨了葡萄糖利用与丁三醇合成的关系,通过敲除编码酶IICB^Glc的ptsG基因改造重组菌株的磷酸烯醇式丙酮酸葡萄糖转移酶(phosphoenolpyruvate: sugar phosphotransferase system, PTS)系统,菌株可以在利用葡萄糖生长的同时进行木糖的转化,具有更高的合成能力。     

产蒎烯人工酵母细胞的构建

蒎烯可衍生为高能量密度燃料,但在酿酒酵母中的全生物合成却未见报道。酿酒酵母由于拥有强大的蛋白表达和翻译后修饰系统以及完整的内膜系统,相比于大肠杆菌等原核生物更适于P450等蛋白的表达,因此将酿酒酵母作为宿主细胞,对于蒎烯或者其他物质实现如“疯狂碳环”的高能量化是至关重要的。本研究在酿酒酵母底盘中表达内源焦磷酸香叶酯合成酶（ERG20）的突变体ERG20^ww和火炬松来源的蒎烯合酶（PtPS）构建了蒎烯的合成路径。通过截短PtPS N端2～51位氨基酸残基（tPtPS）,蒎烯产量较初始产量（0.329 mg·L^-1）提高了2.23倍。在过表达异戊二烯焦磷酸异构酶（IDI1）和RNA聚合酶Ш负调控因子（MAF1）的基础上,表达ERG20^ww和tPtPS的融合蛋白,蒎烯产量进一步提高了5.16倍。通过将内源基因ERG20启动子原位替换为弱启动子HXT1,下调ERG20的转录,蒎烯的产量提高了26.0%。最终通过调节发酵过程中的培养基pH使蒎烯产量达11.7 mg·L^-1,较初始产量提高了34.5倍。本研究在酿酒酵母中实现蒎烯的从头合成,并获得已知蒎烯摇瓶水平的最高产量。     

外切-β-葡聚糖酶基因重组里氏木霉的筛选及其产酶性能

外切-b-葡聚糖酶是纤维素酶的重要组分之一,提高该组分的活力是增强纤维素酶协同降解性能、降低纤维素水解成本的关键。分别采用微晶纤维素琼脂平板法和滤纸崩解法,对已有的基因重组转化子进行筛选试验,获得了6个优良转化子,其滤纸崩解速率和微晶纤维素琼脂平板上的生长速率都较大。进一步在摇瓶条件下进行复筛试验,获得了外切-β-葡聚糖酶（C₁）高产转化子Trichoderma reesei ZU-101,液体培养48 h,其C₁酶活力可达18.24 U·ml^-1,是出发菌株的2.16倍;分析结果表明：重组转化子的纤维素酶体系中内切-b-葡聚糖酶和纤维二糖酶的活力与出发菌株相比变化不大,但由于外切-b-葡聚糖酶活力得到了大幅度提高,纤维素酶的总活力（滤纸酶活力FPA）也提高了61.9%。采用纤维素酶对碱预处理玉米秸秆进行酶解试验,当酶用量为20 FPIU·（g底物）^-1,水解48 h,重组转化子T.reesei ZU-101纤维素酶的酶解得率高达94.4%。本文的研究结果在可再生纤维素资源的生物转化与利用方面具有广阔的应用前景。