谷氨酸棒状杆菌高效发酵谷氨酸的关键分子机理研究进展

谷氨酸是世界上产量最大的氨基酸,在食品、医药、工农业等领域具有广泛的用途。谷氨酸棒状杆菌是工业生产谷氨酸的主要菌株,从发现谷氨酸棒状杆菌以来,国内外在谷氨酸过量产生机理方面的研究已取得了一定的科研成果。本文就发酵过程中基因转录水平、关键酶酶活、细胞膜与运输蛋白的结构3个层面机理的研究进展做一综述。最后对谷氨酸过量产生的机理进行分析,将来需从生理作用及调控因子等方面研究,进一步完善谷氨酸过量产生机理,以期对提高谷氨酸产量以及开发微生物合成其他生物产品提供参考和方向。     

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%。     

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。     

紫色杆菌素及脱氧紫色杆菌素的基因毒性评价

目的：考察紫色杆菌素、脱氧紫色杆菌素以及二者混合物的基因毒性,为其更广泛的活性研究和应用奠定基础。方法：利用SOS/umu检测试剂盒定量分析紫色杆菌素、脱氧紫色杆菌素、二者混合物以及各自的S9代谢产物是否刺激鼠伤寒沙门菌Salmonella typhimurium NM2009细胞产生了SOS修复,以及与阳性药物2-氨基芴（2-aminofluorene,AF-2）和2-氨基蒽（2-aminoanthracene,2-AA）进行对比所产生毒性作用的强弱。结果：32.6 μg/mL的脱氧紫色杆菌素、经S9代谢后的34.2 μg/mL的紫色杆菌素和33.4 μg/mL的混合物对S. typhimurium NM2009细胞产生了基因毒性,但与阳性对照物相比属于低毒性物质,且相同剂量的紫色杆菌素和脱氧紫色杆菌素以及二者混合物的基因毒性基本相同,二者混合后未产生协同效应。结论：紫色杆菌素和脱氧紫色杆菌素属于低基因毒性物质。     

基于响应面法优化谷氨酸棒杆菌发酵条件

该研究以谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）P169为研究对象,以谷氨酸产量为主要评价指标,采用单因素试验和响应面法对其发酵条件进行优化,并进行摇瓶和20 L罐分批补料发酵验证。结果表明,谷氨酸棒杆菌P169产谷氨酸的最佳发酵条件为酵母粉41.0 g/L、葡萄糖27.0 g/L、尿素12.0 g/L和pH 7.0。在此优化条件下,谷氨酸产量达25.1 g/L,比优化前（16.5 g/L）提高了52.1%。以此为基料进行20 L罐分批补料发酵,谷氨酸产量达155 g/L,比优化前（142 g/L）提高了9.2%。该研究为提高谷氨酸棒杆菌谷氨酸产量提供了一种技术解决方案。     

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。     

新型表面活性剂在谷氨酸发酵中的应用

通过对预先选择的8种表面活性剂和3种溶剂作为谷氨酸发酵促进剂效果的初步筛选,得知聚氧乙烯基失水山梨醇单脂肪酸酯三季铵盐(CTTE)和二甲基亚砜(DMSO)对产酸率提高有较为明显的效果;进而从加入时间,加入剂量两个方面研究了筛选出的两种表面活性剂对谷氨酸棒状杆菌(Corynebacterium glutamicum)T-613菌体生长和谷氨酸发酵产酸的影响,同时研究了CITE和DMSO同时加入的协同效果,从而得到最佳的发酵工艺参数. 研究结果表明:菌种生长对数期(10h)加入DMSO为0. 1%(V/V),发酵中期(18h)加入(CTTE)为0. 08%(V/V),在不影响菌种生长的前提下,促使谷氨酸发酵产酸率由4. 86%提高到6. 55%,较原产量提高了36. 46%,同时发酵的周期由44h下降为36h,缩短了8h,有效的提高了生产效率;最终结合染色显微照片,分析了表面活性剂促进谷氨酸发酵的机理.     

基于PB试验和响应面分析法对谷氨酸棒杆菌CN1021发酵培养基优化

通过Plackett-Burman试验,得出糖蜜、玉米浆和豆饼水解液对谷氨酸产量有显著影响,通过最陡爬坡试验和响应面分析法对发酵培养基组成进行优化,得到谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)最适发酵培养基组成为葡萄糖30g/L,玉米浆33.9g/L,豆饼水解液19.9g/L,糖蜜30.6g/L,MnSO40.03g/L,FeSO40.03g/L,MgSO42g/L,K2HPO44.5g/L,生物素(VH)0.3mg/L,硫胺素(VB1)0.3mg/L。通过对模型验证实验,谷氨酸产量实际值为111.33g/L,且较未优化的发酵培养基相比谷氨酸产量提高了22.75%。     

谷氨酸棒状杆菌葡萄糖代谢阻断工程菌的构建

采用反向代谢工程的策略,以谷氨酸棒杆菌ATCC 13032野生型为出发菌株,利用无抗性标记的同源重组方法,敲除了编码葡萄糖pts系统关键转运蛋白基因ptsG、ptsH-ptsI和葡萄糖转运系统关键转运蛋白基因abc、abc2和iolt1,得到了5株逐次敲除了相应基因的突变株。结果表明:当以葡萄糖为唯一碳源培养时,CGΔptsG菌株的葡萄糖的消耗是野生型的50%,菌体OD值为1.473;CGΔptsH-ptsI菌株的葡萄糖的消耗是野生型的39.5%,菌体OD值为1.226;CGΔabc菌株的葡萄糖的消耗是野生型的36%,菌体OD值为1.092;CGΔabc2菌株的葡萄糖的消耗是野生型的26.2%,菌体OD值为0.486;CGΔiolt1葡萄糖的消耗和菌体生长OD值为0,实现了谷氨酸棒状杆菌葡萄糖代谢的阻断,说明ptsG、ptsH-ptsI、abc、abc2和iolt1所编码的转运蛋白具有葡萄糖转运功能。     

利用谷氨酸棒杆菌CRISPRi系统构建L-缬氨酸高产菌株

作为8种必需氨基酸之一,L-缬氨酸在生物体内起着重要的生理生化作用。微生物体内丙酮酸是L-缬氨酸生物合成的唯一前体物质,同时也是重要的中间代谢物,因此L-缬氨酸的高效积累和细胞生长是相互影响的。为保证细胞正常生长,同时可以大量积累L-缬氨酸,研究建立了一套应用于谷氨酸棒杆菌的CRISPRi技术,并利用此技术实现了三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA)和磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway,PPP)中多个基因相对转录水平不同程度的调控。通过摇瓶实验,确定了编码丙酮酸脱氢酶的基因aceE和编码6-磷酸葡萄糖脱氢酶的基因Cgl1576是利于L-缬氨酸积累的有效修饰靶点。对aceE翻译起始区域(DNA序列中起始密码子ATG区域)弱化时,L-缬氨酸可积累34.6 g/L,对Cgl1576翻译起始区域弱化时,L-缬氨酸可积累32.3 g/L,较对照菌株分别提高了6.1和3.8 g/L。此外,对同时弱化aceE和Cgl1576两个靶点基因进行了多种尝试并确定同时弱化aceE和Cgl1576的翻译起始区域效果最佳,最终得到的菌株可积累L-缬氨...     

谷氨酸棒杆菌生产L赖氨酸的培养优化和产酸特性研究

在5L发酵罐中利用优化培养基进行了谷氨酸棒杆菌连续培养生产L-赖氨酸的研究。相同发酵条件下,优化培养基和原始培养基中的菌种生物量分别达到8.0g/L和9.3g/L,最快生长速率分别为0.53g/L/h和0.72g/L/h。发酵48h后,优化培养基中的L-赖氨酸浓度、产酸总量和糖酸转化率分别为20.8g/100mL、588.2g和0.713g酸/g糖,和原始培养基相比分别提高了6.1%、2.3%和12.2%。优化培养基显著降低了L-赖氨酸生产的原料消耗,提高了生产效率。      

谷氨酸棒杆菌产L-色氨酸重组菌株的构建

在芳香族氨基酸合成途径中,由分支酸产生两个分支:一方面,在邻氨基苯甲酸异构酶(ANS)、邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶(PRT)和色氨酸合成酶(TS)的催化下合成色氨酸;另一方面,分支酸在分支酸变位酶(CM)的催化下生成预苯酸(PPA),由预苯酸又产生两个分支,最后生成酪氨酸或苯丙氨酸。在该途径中,3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖酸-7磷酸合成酶(DS)是关键酶。以谷氨酸棒杆菌SPT9(Phe-、Tyr-、4-FPr、6-FTr)为出发菌株,通过同源重组敲除分支酸变位酶基因csm获得菌株SPT9?csm。将编码DS、ANS和PRT、TS的基因aroⅡ、trpEGD及ts在SPT9?csm中分别过量表达和串联过量表达,获得一系列重组菌:SPT9?csm-XK99E-aroⅡ-trpEGD、SPT9?csm-XK99E-ts、SPT9?csm-XK99E-cspB-ts、SPT9?csm-mob2-ts和SPT9?csm-mob2-ts-aroⅡ-trpEGD。这五株菌摇瓶发酵72 h后,色氨酸产量相对于出发菌株SPT9分别提高了21.4%、57.1%、100%、121.4%和178.6%。通过实时荧光定量PCR检测表明,ts、aroⅡ和trpEGD基因在重组菌SPT9?csm-mob2-ts-aroⅡ-trpEGD中的表达量是它们在菌株SPT9中的9.2倍、13.0倍以及10.6倍。     

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。     

一种谷氨酸棒杆菌基因无痕敲除载体的构建及应用

以谷氨酸棒杆菌（Corynebacteriumglutamicum）23604编码赖氨酸胞内转运蛋白基因lysP为敲除对象,利用重叠PCR技术将 lysP基因的上下游同源臂融合,并构建了由木糖启动子Pxyl和毒素蛋白基因mazF组成的筛选盒,同时无缝克隆连接至带有卡那霉素抗性基因的pTOPO载体中,经电转化及两次同源单交换筛选,实现lysP基因的无痕敲除。 结果表明,经过卡那霉素抗性筛选、木糖二次筛选及基因组PCR鉴定后,成功获得lysP基因缺失菌株C.glutamicum23604ΔlysP;发酵后C.glutamicum23604ΔlysP赖氨酸产量较对照菌株产量提高了10.8%。该实验以大肠杆菌毒素蛋白基因mazF作为反向筛选标记的敲除载体,实现谷氨酸棒杆菌lysP的高效敲除; lysP基因的敲除使得赖氨酸不能进入胞内而在胞外积累,从而达到增产赖氨酸的目的。     

谷氨酸棒状杆菌果糖代谢阻断工程菌的构建

谷氨酸棒状杆菌不仅可以利用葡萄糖和果糖作为碳源进行糖类代谢,也可以利用这些碳源作为底物生产葡萄糖酸、甘露醇及山梨醇等产品。为了提高底物利用率和目的产物的积累量,利用代谢工程阻断糖类代谢的磷酸烯醇式丙酮酸-糖磷酸转移酶系统（phosphoenolpyruvate carbohydrate phosphotransferase system,PTS）和失活相应磷酸激酶。是实现此目标的有效手段。本实验利用同源重组和反向筛选等技术手段,分别获得ptsF单基因缺失工程菌CGΔptsF和ptsF、ptsH、ptsI三基因缺失工程菌CGΔptsFΔptsHΔptsI。工程菌的生长情况研究表明：在以葡萄糖为唯一碳源的培养基上,工程菌CGΔptsF和工程菌CGΔptsFΔptsHΔptsI与野生型生长情况基本一致,说明葡萄糖代谢不受3 个基因影响;在以蔗糖为唯一碳源的培养基上,工程菌CGΔptsF和工程菌CGΔptsFΔptsHΔptsI的生长速率分别是野生型的48.4%和29.7%,菌体浓度分别是野生型的61.6%和34.1%;在以果糖为唯一碳源的培养基上,工程菌CGΔptsF菌体浓度是野生型43.2%,工程菌CGΔptsFΔptsHΔptsI生长为0,证明其完全阻断了果糖代谢,同时说明果糖的PTS系统受ptsF、ptsH和ptsI基因编码的PTS相关蛋白的联合控制。果糖代谢阻断工程菌的获得,为进一步构建以果糖原型为底物的甘露醇或山梨醇生产工程菌株提供了遗传资源,也为谷氨酸棒状杆菌的糖类代谢研究提供了理论依据。     

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。