地衣芽胞杆菌发酵合成L-酪氨酸以及莽草酸途径代谢节点的研究

L-酪氨酸是多种有价值的次级代谢产物的通用前体.地衣芽胞杆菌中芳香族氨基酸合成是通过莽草酸途径进行,但代谢调控的潜在机制仍不清楚.该研究对地衣芽胞杆菌合成酪氨酸过程中莽草酸途径代谢节点进行挖掘.通过发酵优化、提升细胞摄氧能力、荧光定量PCR检测途径基因转录水平、多个节点基因的不同组合方式过表达以及莽草酸补加等策略,对莽...     

L-酪氨酸代谢工程研究进展

L-酪氨酸属于芳香氨基酸,广泛应用于食品、医药以及化工等领域。由于天然微生物合成积累L-酪氨酸的能力很低,近几年利用代谢工程的方法进行途径改造和全局代谢途径优化取得了显著成效。解除反馈抑制、增加前体供应、阻断竞争途径以及调控转运等代谢改造策略非常有效地提高了L-酪氨酸的产量。而模块化工程、全局转录装置工程、小RNA工程等新技术使L-酪氨酸产量更上一个水平。L-酪氨酸代谢途径是多基因和多调控方式协同控制的复杂代谢网络,随着生物技术的发展,重新合理设计、人工合成和全局优化将是未来L-酪氨酸代谢工程发展的方向。     

基于代谢途径改造谷氨酸棒杆菌生产L-缬氨酸

L-缬氨酸是一种重要的支链氨基酸，随着市场对其需求量的不断提升，进一步提高L-缬氨酸的产量和糖酸转化率具有重要意义。在该研究中，使用实验室保藏的谷氨酸棒杆菌VHL-1作为出发菌株，通过对L-缬氨酸合成路径进行代谢改造显著提高了L-缬氨酸的产量和丙酮酸前体物的供应。首先，通过敲除ldh(编码乳酸脱氢酶)、poxB(编码丙酮酸氧化酶)、pyc(编码丙酮酸羧化酶)基因以及弱化alaT(编码丙氨酸转氨酶)基因表达来实现丙酮酸的富集。其次，通过强启动子P_tuf替换ilvBNC操纵子原始启动子并增加ilvBN(编码乙酰羟酸合酶)基因拷贝数来增强丙酮酸向L-缬氨酸合成的碳代谢流。最后，通过过表达支链氨基酸转运蛋白编码基因brnFE和调节蛋白编码基因lrp增强L-缬氨酸胞外输出效率。最终构建的重组菌株VHL-9在5 L生物反应器中进行补料分批培养，L-缬氨酸产量可到达(82.5±5.6) g/L,生产强度为1.15 g/(L·h),糖酸转化率为0.302 g/g葡萄糖。     

解除硝酸盐呼吸和氮通量限制对钝齿棒杆菌产精氨酸的影响

精氨酸广泛应用于食品、医药和工业领域中，其生产方式主要是微生物发酵法。钝齿棒状杆菌(Corynebacterium crenatum)是精氨酸生产的重要工程菌株。该文针对课题组前期构建的钝齿棒杆菌(CCM01)进行代谢改造，探究了arnR和cgl2482的敲除对钝齿棒杆菌产精氨酸的影响。采用无痕敲除方法构建工程菌株并对其进行摇瓶发酵，测定菌体生长量、L-精氨酸产量、葡萄糖消耗量考察菌株产L-精氨酸的影响。硝酸盐能提高钝齿棒杆菌在氧气不足时的生长率，并且arnR的敲除有助于L-精氨酸的生产，arnR敲除菌株CCM02较对照菌株产量提高了8.58%,且当硝酸盐浓度在1.5 mmol/L时对积累L-精氨酸最为有利，产量达到17.09 g/L;cgl2482的敲除有助于氮源流入精氨酸合成途径，其敲除菌株CCM03精氨酸产量达到了17.88 g,较对照提高了4.9%;最终在CCM03发酵中添加1 g/L的尿素、50 g/L的谷氨酸钠以及1.5 mmol/L的硝酸盐时，L-精氨酸产量达到22.25 g/L,较CCM01提高了46.8%。     

代谢工程改造大肠杆菌增产酪醇

酪醇是橄榄苦苷、红景天苷和羟基酪醇等许多重要价值天然产物的前体物质,建立一个酪醇高产的平台菌株具有重要意义。由于大肠杆菌(Escherichia coli)具有繁殖速度快、易于基因操作等优点,该研究选择E.coli BL21 (DE3)作为宿主菌株。通过在质粒pRSFDuet-1中应用组成型启动子P_cspA过量表达来自荷兰芹的芳香醛合成酶(aromatic aldehyde synthase, AAS),得到105.97 mg/L酪醇。在敲除苯丙氨酸竞争途径(pheA)、丙酮酸竞争途径(ptsG、crr、pykF)及对羟基苯乙酸(feaB)竞争途径以及解除反馈抑制(tyrR)的菌株中过量表达AAS,获得1 055.36 mg/L酪醇。为了进一步强化代谢流,对E.coli来源的乙醇脱氢酶AdhE、AdhP、YahK及FrmA和酿酒酵母来源的Adh6进行了筛选。结果表明,酿酒酵母来源的Adh6表现最佳的脱氢酶活性,产生了1 516.86 mg/L酪醇,产量提升了43.73%。基于启动子组合调控策略平衡代谢流,酪醇产量达到1 810.46 mg/L,提升了19.40%。...     

L-丝氨酸的微生物法制备研究进展

L-丝氨酸作为胞内中心代谢产物,参与了胞内重要的C-1活性单元循环,其降解代谢的部分分支途径不能被直接敲除,与其他氨基酸相比,微生物法制备难度较大。以往采用传统的育种方法均难以获得高产L-丝氨酸的菌株,目前的制备方式以微生物前体转化为主。近几年,随着现代生物技术的快速发展,胞内代谢通量的实时分析和遗传改造技术不断增强,人们开始重新关注从糖质原料合成L-丝氨酸的育种研究,并应用多种代谢工程策略改造菌株。该文从L-丝氨酸作为中心代谢产物的特征、微生物前体转化的制备技术以及从糖质原料合成丝氨酸的代谢工程改造3个方面进行阐述,分析微生物法制备L-丝氨酸的相关进展以及存在问题。     

代谢工程改造酿酒酵母生产L-苹果酸

为了研究胞质还原路径对酿酒酵母积累L-苹果酸的影响,通过在酿酒酵母中过量表达源于黄曲霉的丙酮酸羧化酶(Afpyc)、苹果酸脱氢酶(Afmdh)及C4-二羧酸转运蛋白(Afmae),成功构建了L-苹果酸合成的胞质还原路径。结果表明:(1)当低水平表达Afpyc时,其丙酮酸浓度降低了42%,但不能积累L-苹果酸;(2)当共表达Afpyc和Afmdh时,菌株W005积累了1.93 g/L的L-苹果酸,与对照菌株W004相比细胞干重提高了350%,丙酮酸降低了65.9%;(3)当共表达Afpyc、Afmdh和Afmae时,菌株W006的L-苹果酸产量提高了21.2%,达到2.34 g/L;4)通过提高接种量至初始OD_(600)=2,L-苹果酸的产量提高到3.28 g/L。通过在酿酒酵母中过量表达黄曲霉胞质还原路径的关键基因,使得工程菌能够积累L-苹果酸,为目标产物的高效积累提供了一种可借鉴的思路。     

大肠杆菌生产莽草酸的基因工程菌构建

莽草酸是芳香族氨基酸合成中的重要中间代谢物,可用于多种药物的化学合成.在代谢工程理论的指导下,构建积累莽草酸的高产菌株.通过构建敲除编码莽草酸激酶的基因aroL与aroK的菌株阻断莽草酸的代谢;通过构建敲除编码奎尼酸/莽草酸脱氢酶的基因ydiB的菌株减少副产物的合成;同时通过构建人工操纵子过表达编码DAHP合酶、莽草酸脱氢酶、脱氢奎尼酸脱水酶和三脱氢奎尼酸合酶的基因aroG,aroE,aroD和aroB以强化莽草酸合成途径.最终得到E.coliSHIK△aroL△ydiB菌株,摇瓶发酵能够积累莽草酸5.5 g/L.     

L-苯丙氨酸基因工程菌的分子育种研究进展

目前工业发酵生产L-苯丙氨酸的菌株均是由大肠杆菌产生的,随着近年来L-苯丙氨酸市场需求量的增长,使得快速选育高产量遗传稳定性强的新型基因工程菌显得尤其重要.随着基因工程技术和分子生物学手段的不断发展,以及对微生物芳香族氨基酸代谢途径的进一步了解,L-苯丙氨酸生产菌株的选育已经由原来的随机诱变筛选进入到分子育种阶段.本文综述了L-苯丙氨酸基因工程菌的分子育种研究进展.     

对数生长期酿酒酵母胞内代谢情况分析

酿酒酵母是发酵产业中的关键微生物,处于对数生长期的酵母菌迅速繁殖,积累大量初级代谢产物,对此时期进行调控可以提高发酵效率。为了解对数生长期酿酒酵母发酵情况,采用液相色谱串联质谱法(liquid chromatography tandem mass spectrometry, LC-MS/MS)对酵母胞内主要代谢物及其代谢途径进行分析。结果表明,在对数生长期酿酒酵母胞内共鉴定927种代谢物,含氮和含硫化合物数量及相对含量均最高。这些代谢物参与的代谢途径中,核苷酸代谢、辅因子和维生素代谢、碳水化合物代谢以及氨基酸代谢为酿酒酵母主要代谢途径,核苷酸代谢中相对含量最高的为嘧啶代谢。代谢物和代谢途径主要涉及酵母细胞膜的构建,遗传信息的复制,信号分子的传递,渗透压的调节等。为酵母提供生长所需的基本小分子物质和能量,同时为合成蛋白质、核酸等生物大分子物质提供原料。此外,碳水化合物和氨基酸代谢的代谢流分布可更好地支持酿酒酵母进行核苷酸代谢,促进酵母菌的增殖、生长和存活。该研究结果为定向改造酿酒酵母、提高其发酵效率提供一定科学依据。     

外源物质对新疆紫草毛状根次生代谢产物含量的影响

目的：探讨不同外源物质对新疆紫草毛状根中次生代谢产物含量的影响。方法：采用分光光度法测定AgNO3、L-苯丙氨酸、乙酸钠影响下新疆紫草毛状根提取物中次生代谢产物的含量。结果：AgNO3质量浓度为5 mg/L时,毛状根中紫草素、总多酚及总黄酮的含量分别较对照提高了5、0.3 倍和0.8 倍,而花青素的含量在AgNO3质量浓度为3 mg/L时达峰值,较对照提高了0.4 倍。在AgNO3质量浓度为5 mg/L前提下,L-苯丙氨酸质量浓度为25 mg/L时,紫草素、花青素及总黄酮的含量均达峰值,分别较对照提高了0.3、1.4 倍和1.2 倍。而总多酚含量虽然并未高于对照组,但是在各个处理中仍然含量最高。在AgNO3、L-苯丙氨酸质量浓度分别为5、25 mg/L时,总多酚和紫草素含量均在乙酸钠质量浓度为50 mg/L时达到最高,花青素的含量在乙酸钠质量浓度为200 mg/L时达到最高,而乙酸钠不同处理的毛状根中总黄酮含量均明显低于对照。结论：外施一定质量浓度的诱导子AgNO3及AgNO3和L-苯丙氨酸的联合作用均能促进新疆紫草毛状根次生代谢产物的积累;外施一定质量浓度的AgNO3、L-苯丙氨酸及乙酸钠可协同促进毛状根中总多酚、花青素和紫草素的积累,但显著抑制总黄酮的合成积累。     

己酸菌对高产酯酿酒酵母酒精发酵及酯醇代谢的影响

将己酸菌与高产酯酿酒酵母在高粱汁培养基中进行混合发酵,研究己酸菌对高产酯酿酒酵母酒精发酵及酯醇代谢的影响。结果表明,己酸菌菌悬液对高产酯酿酒酵母的生长及代谢没有直接影响;己酸菌的代谢产物对高产酯酿酒酵母的发酵速度及酒精产量有所促进,在培养基己酸浓度为220mg/L时,酒精产量提高了6.63%;在己酸浓度为45~220mg/L时,高产酯酿酒酵母的乙酸酯类和主要高级醇受到的抑制作用逐渐增强,乙酸乙酯最多降低65.32%,乙酸异丁酯最多降低91.32%,乙酸异戊酯最多降低82.14%,高级醇最多降低71.14%;在己酸浓度为220mg/L时,与己酸浓度为0mg/L时对比,高产酯酿酒酵母共有1032个基因转录水平上调,有1037个基因转录水平下调,这些转录水平变化的基因主要涉及到高产酯酿酒酵母的氮代谢、糖酵解、苯丙氨酸代谢、碳代谢等多条代谢途径。     

改造非磷酸转移酶葡萄糖转运途径强化解淀粉芽胞杆菌合成L-酪氨酸

L-酪氨酸是一种重要的营养必需氨基酸,广泛应用于食品、医药、化妆品等行业。非磷酸转移酶葡萄糖转运途径是细菌吸收转运葡萄糖的重要途径,对细菌的新陈代谢具有显著的影响。以解淀粉芽胞杆菌HZΔptsH为出发菌株,表达了不同物种来源的葡萄糖转运蛋白编码基因,探究非磷酸转移酶葡萄糖转运途径基因对解淀粉芽胞杆菌合成L-酪氨酸的影响。摇瓶发酵结果表明,HZΔptsH强化表达自身来源葡萄糖转运蛋白编码基因glcP后,L-酪氨酸产量提高了22%,而表达大肠杆菌的galP基因和谷氨酸棒状杆菌的idolT1基因对L-酪氨酸产量没有显著性的影响。研究证实,过表达解淀粉芽胞杆菌自身glcP基因是一种有效的L-酪氨酸强化策略,该研究为后续解淀粉芽胞杆菌合成L-酪氨酸的代谢工程育种提供了借鉴。     

产5-氨基乙酰丙酸酿酒酵母工程菌株的构建

5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic acid,ALA)是一种天然存在的非蛋白质类氨基酸,在医学和农业领域应用广泛。为构建生产ALA的酿酒酵母细胞工厂,作者首先在酿酒酵母中分别表达了来源于酿酒酵母和类球红细菌中编码ALA生物合成C4途径ALA合酶的hem1和hemA基因,同时又表达了来源于大肠杆菌编码C5途径关键酶谷氨酰-tRNA还原酶和谷氨醛氨基转移酶的基因hemA和hemL。结果表明,表达酿酒酵母自身来源的hem1基因更利于ALA的合成,ALA产量为327.6 mg/L。在此基础上将C4和C5途径的基因hem1、hemA和hemL在酿酒酵母中过量表达,在添加前体物质甘氨酸和琥珀酸的条件下,ALA产量为525.8 mg/L,实现了在酿酒酵母中合成ALA。     

高产L-精氨酸谷氨酸棒状杆菌的构建

以产L-精氨酸诱变菌株谷氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicum）AJC为出发菌株,采用基因组编辑技术对其进行改造。 首先,敲除阻遏蛋白ArgR和FarR,解除反馈阻遏作用;然后,敲除乳酸脱氢酶编码基因ldh和整合鸟氨酸乙酰转移酶编码基因argJ,阻 断乳酸合成途径和增加前体物;最后,敲除谷氨酸分泌蛋白编码基因NCgl1221和整合乙酰谷氨酸激酶基因argB,减弱L-谷氨酸的胞 外分泌,筛选一株L-精氨酸高产菌株。 结果表明,获得一株高产L-精氨酸菌株AJC-4（C. glutamicum AJCΔargRΔfarRΔldh::PtufargJ ΔNCgl1221::PsodargB）,该菌株在5 L发酵罐中发酵64 h后,L-精氨酸产量和糖酸转化率分别为78.0 g/L和0.38 g/g,较出发菌株AJC分 别提高21.9%、18.8%;副产物乳酸和L-谷氨酸积累量分别为0.11g/L、0.16 g/L,较出发菌株AJC分别降低96.8%、96.1%。     

途径工程改造谷氨酸棒杆菌合成L-半胱氨酸

L-半胱氨酸是一种重要的含硫氨基酸,广泛应用在医药、食品和化妆品等行业。该文以实验室保藏的一株高产L-丝氨酸的谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)A36为出发菌株,通过加强表达丝氨酸O-乙酰基转移酶(serine O-acetyltransferase, SAT)、O-乙酰基-L-丝氨酸巯基化酶-A和转运蛋白Bcr编码基因强化L-半胱氨酸合成和转运,敲除L-半胱氨酸降解途径关键酶弱化其降解,构建系列重组菌株,其中重组菌S-C-7的L-半胱氨酸产量最高,为286.7 mg/L。进一步通过优化硫源提高菌株S-C-7的L-半胱氨酸产量,结果表明,最佳硫源为硫代硫酸钠,当发酵24 h时添加12 g/L硫代硫酸钠,L-半胱氨酸的产量最高,为581.6 mg/L,较优化前提高1.0倍。最后,在5 L发酵罐对S-C-7进行发酵评价,L-半胱氨酸产量达到1.2 g/L,是目前文献报道谷氨酸棒杆菌产L-半胱氨酸的最高产量;为实现谷氨酸棒杆菌发酵生产L-半胱氨酸奠定了基础。     

小麦基质下枯草芽孢杆菌与酵母共发酵代谢特征

以小麦粉为基质,采用枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）分别与汉逊酵母（Hansenula sp.）、弗比恩毕赤酵母（Pichia fabianii）、酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）和鲁氏酵母（Zygosaccharomyces rouxii）共发酵,通过对还原糖、乙醇及氨基酸的检测分析其代谢特征。结果表明,汉逊酵母和枯草芽孢杆菌共发酵最利于乙醇的合成,乙醇最高含量为（740.00±28.28） mg/L。枯草芽孢杆菌分别与汉逊酵母、弗比恩毕赤酵母、酿酒酵母、鲁氏酵母共发酵时氨基酸合成代谢存在差异,分别合成10、10、12、12种氨基酸,最高总氨基酸含量分别为（210.41±18.75）μg/mL、（160.92±9.11）μg/mL、（3 957.35±261.47）μg/mL、（956.71±56.64）μg/mL,酿酒酵母与枯草芽孢杆菌共发酵时更有利于氨基酸的合成。四种发酵体系中共有氨基酸为缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、组氨酸和酪氨酸,非共有氨基酸为丝氨酸、甘氨酸、丙氨酸、半胱氨酸、苏氨酸、色氨酸、谷氨酸以及谷氨酰胺。     

锌离子影响地中海拟无枝酸菌合成有机酸和利福霉素SV

在10L发酵罐培养地中海拟无枝酸菌过程中基料添加Zn2+(终浓度0.75mg/L)对利福霉素SV效价和有机酸合成产生了显著影响.72h～141h胞外丙酮酸、丙氨酸浓度分别比对照提高了19.7％～93.72％和降低了37.69％～59.55％;同时,胞外谷氨酸、赖氨酸和苯丙氨酸的浓度分别比对照提高了7.62％～162.59％、1.99％～43.10％和25.84％～92.89％.胞外酪氨酸浓度(72h～120h)与对照差异不大,之后迅速提高,141h时酪氨酸浓度是对照组的2.56倍.利福霉素SV的效价在96h比对照提高了11.72％,120h时效价提高了9.1％;141h时效价仅比对照提高了3.5％.说明锌离子抑制了丙氨酸脱氢酶活性并引起丙酮酸积累,这使得丙酮酸流入三羧酸循环的碳通量增大,使由草酰乙酸衍生的赖氨酸和由α-酮戊二酸衍生的谷氨酸合成量增大,促进了利福霉素SV的合成.但是,丙酮酸的积累也促进了芳环氨基酸的合成(如酪氨酸、苯丙氨酸),其会协同抑制利福霉素的芳环前体3-氨基-5-羟基-苯甲酸的合成,这可能是效价中后期增长放缓的原因.     

谷氨酸棒状杆菌合成L-高丝氨酸的代谢改造与发酵条件探究

目的:本研究以谷氨酸棒状杆菌ATCC 13032为底盘细胞,构建1株L-高丝氨酸合成菌株并分析溶氧环境对其产物合成的影响。方法:首先通过外源添加0～40 g/L的L-高丝氨酸分析谷氨酸棒状杆菌的产物耐受性;随后,通过基因thrB敲除阻断L-高丝氨酸的降解途径,获得谷氨酸棒状杆菌重组菌H1;在此基础上利用挡板摇瓶进行细胞培养以增强发酵过程中氧气供给能力。结果:与大肠杆菌相比,谷氨酸棒状杆菌对L-高丝氨酸具有更强耐受性。研究中通过敲除基因thrB构建了L-苏氨酸缺陷型谷氨酸棒状杆菌重组菌H1,发现基础培养基中加入0.5 g/L的L-苏氨酸后,该重组菌生长恢复正常水平。挡板摇瓶条件下重组菌H1的L-高丝氨酸产量增加至836.7 mg/L,较普通摇瓶产量44.6 mg/L提高了17.76倍。结论:通过阻断L-苏氨酸的合成,成功构建L-高丝氨酸合成菌株谷氨酸棒状杆菌H1,并且发现利用挡板摇瓶增强发酵过程中供氧能力是促进谷氨酸棒状杆菌高效合成L-高丝氨酸的有效手段,为后续提高L-高丝氨酸发酵产量提供了参考。     

酿酒酵母pdc基因缺陷菌株的构建及其丙酮酸发酵特性

丙酮酸是一种重要的有机酸,在聚合物、化妆品、食品添加剂、医药等领域具有广泛应用。酿酒酵母被认为是丙酮酸生产的潜在最适微生物,但其糖酵解过程产生的丙酮酸会在胞质内的丙酮酸脱羧酶催化作用下降解为CO₂和乙醛,造成碳代谢流的损失。为将更多的碳代谢流引向丙酮酸合成,该研究通过敲除丙酮酸脱羧酶的3个结构基因(pdc1、pdc5和pdc6),显著地促进了丙酮酸积累,但也造成突变菌株XY-156生长缓慢。与进化之前相比,采用适应性进化策略驯化得到的菌株XY-156A,在细胞生长、葡萄糖消耗以及丙酮酸积累方面均获得显著提高;进一步利用2 L发酵罐进行批次补料发酵试验,发酵76 h丙酮酸产量可达105 g/L,生产强度为1. 38g/(L·h),得率为0. 5 g/g葡萄糖。结果表明,采用失活丙酮酸脱羧酶与适应性定向进化相结合的策略改造酿酒酵母,能够实现其高效积累丙酮酸,可为生物基丙酮酸工业化生产奠定坚实的基础。