谷氨酸棒杆菌生产缬氨酸的代谢工程研究进展

L-缬氨酸是人体必需的三种支链氨基酸之一,在生命代谢过程中起着非常重要的作用,因此被广泛应用于食品、医药及饲料等行业。目前,L-缬氨酸主要采用微生物发酵法生产,而谷氨酸棒杆菌是最常用的生产菌种。作者分析了谷氨酸棒杆菌中L-缬氨酸的生物合成途径和代谢调控,综述了对其进行代谢工程改造来提高L-缬氨酸产量的最新研究进展。     

支链氨基酸生物合成及其代谢工程育种研究进展

支链氨基酸(亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸)主要由细菌、真菌和植物合成,是人体必需氨基酸。因其特殊的结构和功能,在人类生命代谢中占有特别重要的地位,所以支链氨基酸在医药、食品及饲料领域中有着广泛的用途。目前支链氨基酸主要采用发酵法生产,生产菌种主要为Corynebacterium glutamicum(包括黄色短杆菌Brevibacterium flavum)。作者主要分析了Corynebacterium glutamicum中支链氨基酸生物合成途径及其代谢调控,并对支链氨基酸代谢工程育种情况进行了综述。     

谷氨酸棒状杆菌的谷氨酸分泌模式初探

在不同初始生物素添加量的条件下进行谷氨酸发酵实验,探讨生物素对谷氨酸棒杆菌分泌谷氨酸的影响机制。实验结果表明:生物素浓度是控制胞内谷氨酸向胞外分泌的关键因素,生物素浓度进入亚适量范围后胞内谷氨酸开始向胞外分泌,名义生物素"亚适量"的浓度范围在1.97～2.29μg/g DCW。在菌体胞内谷氨酸正常向外分泌时添加20μg/L的生物素,谷氨酸正常向外分泌即停止,胞内谷氨酸浓度增加,进一步证明谷氨酸分泌受生物素浓度控制。通过胞内、胞外谷氨酸浓度对比及生物素所起的作用,提出了谷氨酸分泌的一种新的假定模式——"生物素浓度触发式分泌"模式。     

浅谈棒杆菌的谷氨酸分泌机理

在近半个世纪前的1957年，日本的Dr．S．Udeka和Dr．S．Kinoshita发现谷氨酸棒杆菌及其泄漏谷氨酸的独到特性以来，基于这个原始发现选育出的许多该细菌的突变株已经应用到发酵法生产L-谷氨酸，并达到了500m^3的工业发酵生产规模。尽管谷氨酸发酵生产已有40多年的历史以及多年对谷氨酸菌的详细研究，但是对于棒杆菌的谷氨酸分泌机理仍然未能完全阐明清楚。     

微生物生产L-苏氨酸的代谢工程研究进展

L-苏氨酸作为一种必需氨基酸被广泛用于食品、饲料、医药及化妆品行业。目前L-苏氨酸主要通过微生物发酵法生产。代谢工程技术的应用为菌种选育开辟了有效途径,使在现有高产基础上进一步提高氨基酸的产量成为可能。作者对两大氨基酸生产菌——大肠杆菌和谷氨酸棒杆菌中的L-苏氨酸生物合成相关途径、代谢调控机理以及运用代谢工程技术提高L-苏氨酸产量所取得的成果进行了系统综述。     

代谢工程改造谷氨酸棒杆菌合成透明质酸

透明质酸是一种被广泛应用于医药、化妆品和食品等领域的糖胺聚糖。透明质酸的主要工业生产菌株为兽疫链球菌,由于该细菌具有致病性,因此迫切需要构建安全的透明质酸生产菌株。通过在食品级表达宿主谷氨酸棒杆菌中异源表达透明质酸合酶基因(pmHasA),实现了透明质酸的合成,摇瓶中产量达到0.35 g/L。通过强化代谢途径中尿苷二磷酸-葡萄糖脱氢酶基因(ugdA2)和磷酸氨基转移酶基因(glmS)的表达以及敲除乳酸脱氢酶基因(ldh),透明质酸产量提高至0.81 g/L。在此基础上优化诱导条件,确定异丙基-β-D硫代半乳糖苷浓度为0.8 mmol/L,诱导剂添加时间为2 h时,摇瓶中透明质酸产量最高达到1 g/L。经过3 L发酵罐分批补料发酵,透明质酸产量达到4.8 g/L。该文通过调控谷氨酸棒杆菌代谢途径实现了透明质酸安全、高效的合成,为食品级透明质酸的生产奠定了基础。     

支链氨基酸生物合成及其代谢工程育种研究进展

支链氨基酸(亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸)主要由细菌、真菌和植物合成,是人体必需氨基酸。因其特殊的结构和功能,在人类生命代谢中占有特别重要的地位,支链氨基酸在医药、食品及饲料领域中有着广泛的用途。目前支链氨基酸主要采用发酵法生产,生产菌种主要为Corynebacterium glutamicum(包括黄色短杆菌Brevibacterium flavum)。作者主要分析了Corynebacterium glutamicum中支链氨基酸生物合成途径及其代谢调控,并对支链氨基酸代谢工程育种情况进行了综述。     

谷氨酸的代谢控制发酵育种

本文摘要从代谢工程机理上分析讲解了谷氨酸代谢控制发酵育种的五字方针，具有比较普遍的实践意义。     

谷氨酸棒杆菌合成脂肪酸的研究进展

脂肪酸对于工业以及生物体都具有极其重要的作用。谷氨酸棒杆菌被广泛用于氨基酸、核苷酸以及脂肪酸等高附加值化学品的工业生产。文章结合近年来谷氨酸棒杆菌生产脂肪酸取得的最新成果,综述了脂肪酸微生物合成的代谢途径以及代谢工程进展,并展望了将来的研究方向。     

利用代谢工程改造谷氨酸棒杆菌产丙酮酸研究

丙酮酸是一种重要的有机酸,可以作为前体物质,参与合成多种有机化合物,在生物体的能量代谢中发挥着重要作用。为提高丙酮酸产量,选择利用代谢工程改造谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)生产丙酮酸。利用同源重组的方法,依次敲除谷氨酸棒杆菌中与丙酮酸代谢支流相关的5个关键基因(丙酮酸醌氧化还原酶基因pqo、丙酮酸羧化酶基因pyc、转氨酶基因alaT、缬氨酸-丙酮酸氨基转移酶基因avtA、丙酮酸脱氢酶基因aceE),摇瓶发酵72h后丙酮酸的产量达到14.64g/L。通过过表达编码转酮醇酶基因tkt、转醛酶基因tal、磷酸烯醇丙酮酸羧激酶基因pck,增加合成丙酮酸前体物质的供应。最终,复合培养基摇瓶发酵72h后,发酵液中丙酮酸的产量达到15.39g/L,与野生型菌株相比提高了28倍。研究旨在为利用微生物发酵生产丙酮酸提供一定的理论参考。     

代谢工程改造谷氨酸棒状杆菌促进L-异亮氨酸发酵合成的研究进展

L-异亮氨酸作为必需氨基酸具有多种生理功能,对人体和动物健康有重要的调节作用。微生物发酵是工业生产L-异亮氨酸的主要方式,而谷氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicum）是L-异亮氨酸发酵生产的主要菌株,主要通过筛选和随机诱变得到,其遗传背景不明且很难通过诱变进一步提高产量,因而通过代谢工程改造谷氨酸棒状杆菌生产L-异亮氨酸成为近年来研究热点。该文综述了近年来代谢工程改造谷氨酸棒杆菌促进L-异亮氨酸生物合成的相关研究,主要涉及代谢通量调控、解除反馈抑制、强化还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）水平以及提高产物分泌能力等方面,对进一步改造菌株和促进L-异亮氨酸发酵合成具有一定的参考意义。     

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。     

代谢工程改造谷氨酸棒杆菌合成四氢嘧啶

为了获得四氢嘧啶生产菌株并利用此菌株提高四氢嘧啶产量,以谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）野生菌株ATCC13032为研究对象,以赖氨酸积累量为评价指标,强化了天冬氨酸-β-半醛合成代谢流;通过阻断赖氨酸输出通道LysE,表达不同来源的四氢嘧啶操纵子ectABC,获得了四氢嘧啶生产菌株;通过强化天冬氨酸转氨酶和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）再生途径,进一步提高四氢嘧啶产量。结果表明,构建了一株高产赖氨酸的谷氨酸棒杆菌工程菌株LYS-3,赖氨酸积累量为28.48 g/L;表达操纵子HEectABC的谷氨酸棒杆菌ECT-3四氢嘧啶产量达到17.21 g/L;过表达基因aspC和ECpntAB谷氨酸棒杆菌ECT-6,摇瓶发酵四氢嘧啶产量达到21.85 g/L。研究结果可为天冬氨酸-β-半醛衍生物的生物合成提供参考。     

L-精氨酸发酵代谢调控的初步研究

在时谷氨酸棒杆菌CSAH135代谢网络和发酵特性研究的基础上,通过添加适量的氨基酸、有机酸和维生素,对L-精氨酸发酵进行代谢调控.结果发现,大部分添加物对L-精氨酸的积累都有一定的影响,特别是L-谷氨酸、L-亮氨酸、L-天冬氨酸、L-缬氨酸、L-精氨酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、烟酸、维生素B6、叶酸和硫胺素等添加物对菌株CSAH135合成L-精氨酸明显有促进作用,添加后产酸量最大比不添加任何物质提高10%左右.从代谢层面上分析,这些添加物除了促进菌体自身生长之外,同时防止了菌体对各添加物的过量合成,强化菌株CSAH135合成L-精氨酸的代谢途径.     

Improving protein secretion of a transglutaminase-secreting Corynebacterium glutamicum recombinant strain on the basis of 13C metabolic flux analysis

Corynebacterium glutamicum is known as a host species for amino acid production. This microorganism was recently noticed as a host that produces secreted proteins. In this study, we performed ¹³C metabolic flux analysis (¹³C-MFA) on a recombinant C. glutamicum strain that secretes a heterologous transglutaminase (TGase) to improve TGase secretion. For the ¹³C-MFA of a TGase-secreting C. glutamicum strain in batch cultivation, a ¹³C-labeling experiment and measurement of mass isotopomer distributions of proteinogenic amino acids were performed, and metabolic fluxes were determined considering the changes in fractional ¹³C-labeling of proteinogenic amino acids with respect to culture time. The TGase yield increased at the stationary phase but decreased toward its end. The results of ¹³C-MFA revealed that the flux from glycolysis to the TCA cycle gradually increased during TGase secretion. We speculate that the NADH/NAD⁺ ratio in the cells increases and that as a result, the specific glucose uptake rate decreases in the stationary phase because of the increased flux of the TCA cycle. Since it is expected that a decrease in the NADH/NAD⁺ ratio would improve the TGase yield, we tried to enhance lactate production in a TGase-secreting C. glutamicum strain to decrease cellular NADH levels by increasing the pH level in the culture. The TGase yield increased in 1.4-fold by increasing the pH from 6.7 to 7.2, indicating that the TGase yield was successfully improved on the basis of the ¹³C-MFA.     

Distinct roles of two anaplerotic pathways in glutamate production induced by biotin limitation in Corynebacterium glutamicum

Corynebacterium glutamicum is a biotin auxotrophic bacterium in which glutamate production is induced under biotin-limited conditions. During glutamate production, anaplerotic reactions catalyzed by phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) and a biotin-containing enzyme pyruvate carboxylase (PC) are believed to play an important role in supplying oxaloacetate in the tricarboxylic acid cycle. To understand the distinct roles of PEPC and PC on glutamate production by C. glutamicum, we observed glutamate production induced under biotin-limited conditions in the disruptants of the genes encoding PEPC (ppc) and PC (pyc), respectively. The pyc disruptant retained the ability to produce high amounts of glutamate, and lactate was simultaneously produced probably due to the increased intracellular pyruvate levels. On the other hand, the ppc knockout mutant could not produce glutamate. Additionally, glutamate production in the pyc disruptant was enhanced by overexpression of ppc rather than disruption of the lactate dehydrogenase gene (ldh), which is involved in lactate production. Metabolic flux analysis based on the 13C-labeling experiment and measurement of 13C-enrichment in glutamate using nuclear magnetic resonance spectroscopy revealed that the flux for anaplerotic reactions in the pyc disruptant was lower than that in the wild type, concomitantly increasing the flux for lactate formation. Moreover, overexpression of ppc increased this flux in both the pyc disruptant and the wild type. Our results suggest that the PEPC-catalyzed anaplerotic reaction is necessary for glutamate production induced under biotin-limited conditions, because PC is not active during glutamate production, and overexpression of ppc effectively enhances glutamate production under biotin-limited conditions.     

模块化共培养技术在代谢工程领域的应用及研究进展

利用代谢工程方法生物合成目标产物时,需要为设计好的生物合成途径筛选一个合适的微生物宿主,关于此方面的研究在过去十几年中已取得了巨大的成果。随着代谢工程领域的发展,有很多先进的方法被不断地建立与应用,这就对微生物宿主细胞提出了更高的要求。近期的许多科学研究应用共培养体系来减轻细胞压力,从而提高目标产物的产量。模块化共培养体系由多种工程生物菌株组成,可对生物合成进行模块化构建。这种新兴的模块化共培养的工程方法可以广泛地应用于代谢工程领域,具有很高的应用价值。本文总结并讨论了模块化共培养工程方法的优势以及主要面临的挑战,同时对模块化共培养工程的研究进展进行了概述。     

谷氨酸棒杆菌工程菌产生L-苹果酸的发酵工艺优化

研究了碳源、氮源、乙酸盐、碳酸氢钠、温度、氧气等诸多因素和条件变化,对于谷氨酸棒杆菌工程菌株M5(C.glutamicum ATCC13032 M5)发酵产生L-苹果酸产量的影响。L-苹果酸的检测采用高效液相色谱法。实验结果显示,以5%葡萄糖、0.5%NaAce、0.5%(NH_4)_2SO_4、0.15%KH_2PO_4、0.05%Mg SO_4·7H_2O、0.02%CaCl_2为发酵培养基,NaHCO_3调节pH 7.0,接种量2.5%,30℃自控摇床好氧发酵36 h后,转换成限氧发酵72 h,L-苹果酸产量可达到25.2 g/L,糖酸转化率为72%。实验结果验证了工程菌M5的基因工程改造是成功的,有希望成为发酵生产L-苹果酸的新菌种。     

搅拌对谷氨酸棒杆菌絮凝的影响

谷氨酸棒杆菌等电点为4.2,当等电母液pH在3.2左右时,菌体zeta电势为正值,添加絮凝剂聚丙烯酸钠能有效使分散的细胞聚集成絮凝体。以菌体、COD及蛋白质去除率为指标,借助Mastersize 2000测定絮凝体粒度分布,考察了搅拌速率和搅拌时间对絮凝的影响。结果表明,在搅拌转速为400 r/min,搅拌时间为50 s时,絮凝效果最好,菌体、蛋白质、COD去除率分别达到99%、75%、55%以上,絮凝体粒径达到491μm,C.V.值为53.52%。搅拌速率和搅拌时间在很大程度上影响絮凝效果和絮凝体大小,控制搅拌速率和搅拌时间可以优化絮凝效果和优选絮凝体大小,增强絮凝后的沉降过滤。