CN101541949A - 天冬氨酸半醛脱氢酶活性提高的微生物以及使用该微生物生产l-苏氨酸的工艺 - Google Patents

天冬氨酸半醛脱氢酶活性提高的微生物以及使用该微生物生产l-苏氨酸的工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种通过在L-苏氨酸生物合成途径中增强天冬氨酸半醛脱氢酶的活性从而提高L-苏氨酸产率的产生L-苏氨酸的微生物。

Description

天冬氨酸半醛脱氢酶活性提高的微生物以及使用该微生物生产L-苏氨酸的工艺
技术领域
本发明涉及一种使用生物信息学识别大肠杆菌的usg基因的未知功能,生产usg基因表达增加的L-苏氨酸的微生物,以及使用该微生物生产L-苏氨酸的方法。更特别地是,本发明涉及一种微生物,其通过增加usg基因的表达从而高产L-苏氨酸,是基于以下事实:通过功能至今未知大肠杆菌的usg基因的核苷酸序列相似性检索,发现大肠杆菌的usg基因的核苷酸序列与L-苏氨酸生物合成途径中天冬氨酸半醛脱氨酶的氨基酸序列具有显著的同源性,以及利用相同的机制生产L-苏氨酸的方法。
背景技术
L-苏氨酸是必需氨基酸之一,其广泛地用作饲料和食品的添加剂以及药物辅助材料的合成原料,包括注射溶液和其它药物的合成原料。L-苏氨酸主要通过微生物发酵产生,从大肠杆菌、棒状杆菌属、粘质沙雷氏菌属或普罗威登斯菌属的野生型诱导产生的人工突变株作为产生菌株。日本早期公开专利公开号为Hei2-219582描述了使用Providentia属的微生物的方法,其对α-氨基-β-羟基戊酸、L-甲硫氨酸、硫代异亮氨酸、羟基硫胺素和磺胺胍具有耐药性,对L-亮氨酸具有必需性,对L-异亮氨酸具有亚必要性(leaky requirement)。韩国专利号58286描述能够产生L-苏氨酸的大肠杆菌属的微生物,对L-甲硫氨酸同型物、L-苏氨酸同型物、L-赖氨酸同型物和α-丁氨酸具有耐药性,对甲硫氨酸具有必需性,对异亮氨酸具有亚必要性。
现有技术的方法通过任意转化它们从而选择具有有效突变的微生物。然而,通过使用这样的人工突变方法发展的微生物的方法,突变微生物的特性无法精确确定,而且突变的微生物可能是具有抑制微生物生长的突变型。因此需要发展出一种产生能够只提高或抑制所需特性的更精确控制微生物产生的崭新方法。
最近,大肠杆菌等的全基因组的序列已被识别,积累了多种生物信息学数据。因此促进了未知基因的功能研究。
基于技术的发展能够对大肠杆菌全基因组进行序列分析,广泛的生物信息学信息的累积,促进了未知基因的功能研究。
即使许多细菌比如大肠杆菌的全基因组序列已经被识别,它们中的一些功能仍然未知。核苷酸序列和氨基酸序列与它们的靶蛋白的功能或结构密切相关。因此在已被识别的序列之间的同源性的研究能够帮助蛋白质功能的研究。
这样,本发明的发明人致力于研究使用微生物提高L-苏氨酸的生产率。结果,发明人确定由大肠杆菌基因usg(NCBI GI:16130524:序列号:5)编码的蛋白质,其序列已被识别,但在大肠杆菌内的功能尚不明确,其与天冬氨酸半醛脱氢酶的氨基酸序列具有高度的相似性。发明人进一步完善本发明,基于上述内容通过增加usg基因的表达使L-苏氨酸的产量提高。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于提供一种通过增加大肠杆菌usg基因的表达从而提高L-苏氨酸的产量的重组微生物。
本发明的目的在于提供一种培养具有提高的L-苏氨酸生产能力的重组微生物的方法。
技术方案
本发明的上述目的通过本发明的下述实施例实现。
本发明在此后进行详述。
为了达到本发明的目的,本发明提供一种通过增强在L-苏氨酸生物合成途径中的天冬氨酸半醛脱氢酶的活性从而提高L-苏氨酸产率的产生L-苏氨酸的微生物。
在本发明的优选实施例中,天冬氨酸半醛脱氢酶可通过源自大肠杆菌的usg基因进行编码。
在本发明的优选实施例中,具有L-苏氨酸生产能力的微生物是通过包含usg基因的重组载体转化的。
本发明的产生L-苏氨酸的微生物可以是任何能够产生L-苏氨酸的微生物,包括大肠杆菌、棒状杆菌属,粘质沙雷氏菌属或普罗威登斯菌属细菌,在这些细菌中优选大肠杆菌。更优选的是,可使用必需甲硫氨酸和亚必需异亮氨酸并同时对α-氨基-β-羟基戊酸、2-氨乙基-L-半胱氨酸、L-铃兰氨酸具有耐药性的大肠杆菌TF5015(亲株的转录子组和蛋白质组和过量产生L-苏氨酸的突变株的整体分析,Jin-HoLee,Dong-Eun Lee,Bheong-Uk Lee,和Hak-Sung Kim,细菌学杂志,9月.2003,第5442-5451页)。
usg基因定位于大肠杆菌基因组,其序列已被识别但功能尚未明确(NCBI GI:16130254)。在本发明中,通过生物信息学技术比较usg基因序列与在L-苏氨酸生物合成途径中的那些酶的基因序列。结果,该基因与天冬氨酸半醛脱氢酶的氨基酸序列具有显著的相似度。天冬氨酸半醛脱氢酶似乎与大肠杆菌中的L-苏氨酸生物合成途径的限速步骤有关(图2)。因此预期usg的基因表达的增加会提高L-苏氨酸的生产能力。
在本发明优选的实施例中通过使用多拷贝的载体引入宿主细胞提高基因表达的方法来提高靶基因的表达。此时载体可以是野生型或重组质粒、粘粒、病毒或噬菌体。载体通常可以是天然的或重组质粒、粘粒、病毒或噬菌体。优选的,可以使用在大肠杆菌属中同时增加的低拷贝数的pCL1920质粒载体。
同时,本发明的重组载体可以用本领域那些众所周知的传统方法制备。例如,通过生物信息学识别功能的基因连接到含有用于表达的启动子和终止子的合适载体上,可通过使用如EcoRV和HindIII这样的限制性内切酶的识别序列。用于表达的启动子可以是trc、tac、lac以及大肠杆菌aroF基因的启动子。终止子可用于有效表达。
本发明的优选实施例中,以重组载体转化的产生L-苏氨酸的微生物可以是大肠杆菌TF64212(保藏号:KCCM-10768)。
尤其是,本发明的转化细胞可以通过传统方法由具有上述重组载体的宿主细胞转化制备。宿主细胞是L-苏氨酸产生微生物,优选属于革兰氏阴性细菌的细菌,更优选属于大肠杆菌属的细菌。在本发明优选的实施例中,大肠杆菌TF5015(亲株的转录子组和蛋白质组和过量产生L-苏氨酸的突变株的整体分析,Jin-Ho Lee,Dong-Eun Lee,Bheong-Uk Lee和Hak-Sung Kim,细菌学杂志,9月.2003,第5442-5451页)通过上述重组载体(pCL-ParoF-usg)转化,构建大肠杆菌TF64212。大肠杆菌TF64212于2006年7月24日(保藏号:KCCM-10768)保藏于KCCM(韩国微生物保藏中心,Eulim BuId.,Hongje-1-Dong,Seodaemun-Ku,首尔,361-221,韩国)。
生产L-苏氨酸的重组微生物因提高通过生物信息学具有天冬氨酸半醛脱氢酶的活性的usg基因表达,所以相比于转化前的微生物可以生产出高产量的L-苏氨酸。
在本发明另一个优选的实施例中,本发明提供一种在重组微生物中生产L-苏氨酸的方法,由提高天冬氨酸半醛脱氢酶活性来增加生产L-苏氨酸的生产率。在重组微生物中大量生产L-苏氨酸的培养微生物工艺和从培养中分离L-苏氨酸的工艺为在本领域中已公知的那些方法。
附图说明
结合参考附图最容易理解本发明优选实施例,这里:
图1是描述重组载体pCL-ParoF-usg构建过程的图;
图2是描述L-苏氨酸生物合成途径的图。
具体实施方式
本发明的实施的和目前优选实施例在以下实施例中说明。然而,下例实施例仅作为说明用途,并不在于限制本发明的范围。
实施例1:利用生物信息学识别大肠杆菌中usg基因的功能
由于大肠杆菌的全基因组序列已经被识别,不同的生物信息学技术可用于预测假想蛋白的未知功能。使用基因的核苷酸序列或从基因转录和翻译的蛋白质的氨基酸序列,生物信息学的分析在此是用于预测基因功能的技术。
在本实施例中,使用大肠杆菌中未知功能的usg基因的核苷酸序列分析进行生物信息学研究,通过BLAST检索筛选出具有与usg基因相似序列的已知功能的酶。结果显示由usg基因编码的USG蛋白质与天冬氨酸半醛脱氢酶具有28%相似度的氨基酸序列。
>ref|NP_417891,1|aspartate-seaialdehyde dehydrogenase;aspartate-semialdehyda
         dehydrogenase,NAD(P)-binding[Escherichia coli K 12]
         Length=367
Score=29.3bits(64”),Expect=0.39
Identities=18/63(28%),Positives=30/63(47%),Gaps=1/63(1%)
Query=6 NIAVLGATGAVGEALLETLAE-RQFPVGEIVALARNESAGEQLRFGGKTITVQDAAEFDW 64
         N+  +G  G VG  L++ + E R F        + ++       FGG  T T+QDA+ +
Sbjct=3 NVGFIGWRGMVGSVLMQRMVEERDFDAIRPVFFSTSOLGQAAPSFGGTTGTLODAFDLFA 62
Quary=65 TQA 67
           +A
Sbjct=63 LKA 65
与usg具有显著相似度的天冬氨酸半醛脱氢酶是一种如图2所示的在L-苏氨酸生物合成途径中将天冬氨酸半醛转化成L-天冬氨酰-4-磷酸盐的酶。大肠杆菌中L-苏氨酸生物合成途径中的限速步骤也是由天冬氨酸半醛脱氢酶催化的。因此usg表达的增加可预期提高L-苏氨酸的生产能力。
实施例2:包含usg基因的重组载体的制备
为了确定通过生物信息学预测的usg基因的表达增加对L-苏氨酸生产力的改善,利用在大肠杆菌中多拷贝的质粒过量表达usg基因。
第一,将对表达所需的启动子插入到质粒载体pCL1920。利用存在于大肠杆菌的染色体中的aroF基因的启动子,分别制备表1中的引物1(序列号:1)和2(序列号:2)。aroF基因启动子区域的大约700个碱基对(base-pairs)通过PCR扩增[Sambrook等人,Molecular Cloning,a Laboratory Manual(1989),Cold Spring Harbor Laboratories](PCR条件:变性=95℃,30秒/退火=53℃,30秒/聚合=72℃,1分钟,30循环),用野生型大肠杆菌W3110的染色体DNA作为模板。获得的DNA片段由KpnI和EcoRV消化,接着由pCL-质粒连接,用同样的限制性内切酶消化,用T4DNA连接酶制备pCL-ParoF
表1
引物1和2的序列
 引物1   5′-cgg ggt acc tgc tgg tca agg ttg gcg cgt-3′(序列号:1)
 引物2   5′-ccg gat atc gat cct gtt tat gct cgt ttg-3′(序列号:2)
同样的,克隆从野生型大肠杆菌W3110中的usg基因分别制备在表2中具有序列号:3和序列号:4的引物。usg的核苷酸序列(NCBI GI:1613054:序列号:5)早已有报导。usg基因的大约1,014的碱基对通过PCR扩增[Sambrook等人,Molecular Cloning,a Laboratory Manual(1989),Cold Spring Harbor Laboratories](PCR条件:变性=95℃,30秒/退火=53℃,30秒/聚合=72℃,1分钟,30循环),用野生型大肠杆菌W3110的DNA染色体作为模板。获得的DNA片段由限制性内切酶EcoRV和HindIII消化,接着用T4DNA连接酶连接由相同的限制性内切酶消化的pCL-ParoF,从而完成了如图1所示的重组载体pCL-ParoF-usg的制备。
表2
引物3和4的序列
 引物3   5′-ggg gat atc atg tct gaa ggc tgg aac-3′(序列号:3)
 引物4   5′-ggg aag ctt tta gta cag ata ctc ctg-3′(序列号:4)
实施例3:与过量表达usg基因的重组微生物的L-苏氨酸生产力的比
在本实施例中,产生L-苏氨酸的大肠杆菌TF5015由实施例2中制备的重组载体(pCL-ParoF-usg)转化。获得的转化株TF64212(KCCM-10768)在具有如表3中所述的成份的滴定瓶培养基中培养。用离心法从培养基溶液中分离上清液,上清液继续进行液相色谱测定苏氨酸浓度。比较大肠杆菌TF5015和转化株TF64212的L-苏氨酸浓度。取三个瓶中的结果的平均值用作为L-苏氨酸的浓度。
表3
滴定瓶培养基
  成份   浓度(g/L)
  葡萄糖   70
  酵母提取物   2
  硫酸铵   28
  硫酸镁   0.5
  硫酸亚铁   0.005
  硫酸锰   0.005
  L-苏氨酸   0.15
  碳酸钙   30
  亚磷酸二氢钾   1
结果,如表4中所示,在转化体TF64212(KCCM-10768)中的L-苏氨酸的浓度相比于大肠杆菌TF5015中的浓度增加了20.8%.
表4
L-苏氨酸浓度
  细菌株   L-苏氨酸(g/L)
  TF5015   9.6
  TF64212   11.6
工业实用性
如前述解释,通过生物信息学预测大肠杆菌中usg基因的未知功能,结果确定usg基因在氨基酸序列上与L-苏氨酸生物合成途径中的天冬氨酸半醛脱氢酶的氨基酸序列具有显著的相似度。因此usg的表达的增加被预期提高L-苏氨酸的生产能力。尤其是,大肠杆菌转化株TF64212过量表达usg从生产L-苏氨酸的大肠杆菌TF5015中制备。通过培养转化体提高L-苏氨酸的生产。
序列表
<110>CJ第一制糖株式会社
<120>天冬氨酸半醛脱氢酶活性提高的微生物以及
     使用该微生物生产L-苏氨酸的工艺
<130>FP09KR772
<150>KR 10-2006-75814
<151>2006-08-10
<160>5
<170>KopatentIn 1.71
<210>1
<211>30
<212>DNA
<213>Artificial Sequence
<220>
<223>primer 1
<400>1
cggggtacct gctggtcaag gttggcgcgt                       30
<210>2
<211>30
<212>DNA
<213>Artificial Sequence
<220>
<223>primer 2
<400>2
ccggatatcg atcctgttta tgctcgtttg                       30
<210>3
<211>27
<212>DNA
<213>Artificial Sequence
<220>
<223>primer 3 for usg
<400>3
ggggatatca tgtctgaagg ctggaac                          27
<210>4
<211>27
<212>DNA
<213>Artificial Sequence
<220>
<223>primer 4 for usg
<400>4
gggaagcttt tagtacagat actcctg                          27
<210>5
<211>1014
<212>DNA
<213>Escherichia coli
<400>5
atgtctgaag gctggaacat tgccgtcctg ggcgcaactg gcgctgtggg cgaagccctg     60
cttgaaacgc tggctgaacg tcagttcccg gttggggaaa tttatgcact ggcacgtaac    120
gaaagcgcag gcgaacaact gcgctttggt ggtaagacaa tcaccgtgca ggatgccgct    180
gaattcgact ggacgcaggc gcagctggca ttttttgtcg caggcaaaga agctaccgct    240
gcctgggttg aagaagcgac caactcaggt tgcctggtga tcgacagcag tggattgttt    300
gctctcgaac ccgacgtacc gctggtggtg ccggaagtaa acccgtttgt actgacagat    360
taccggaacc ggaatgtcat cgccgtacca gacagtctga ccagccagct gctggcggca    420
ctgaaaccgt taatcgatca gggcggttta tcacgtatca gcgttaccag cctgatttca    480
gcctccgccc agggcaaaaa agcggtcgat gcgttagcgg ggcagagtgc gaaattgctc    540
aacggcattc cgattgacga agaagatttc ttcgggcgtc agctggcgtt caacatgctg    600
ccgttactgc cggatagcga aggtagcgtg cgtgaagaac gtcgtatcgt tgacgaagta    660
cgcaaaatcc tgcaggacga agggctgatg atttcggcta gcgtcgtcca ggcaccggta    720
ttctacggtc atgcccagat ggtcaacttt gaagctctgc gtccactggc agcagaagaa    780
gcgcgtgatg cgtttgttca aggcgaagat attgtgctct ctgaagagaa cgaattccca    840
actcaggtag gtgatgcttc gggtacgccg catctttctg ttggctgcgt gcgtaatgac    900
tacggtatgc cggagcaagt ccagttctgg tcggtggccg ataacgttcg ctttggcggc    960
gcgctgatgg cagtaaaaat cgccgagaaa ctggtgcagg agtatctgta ctaa         1014
PCT/R0/134表
Figure A20078002963700141

Claims (6)

1、一种生产L-苏氨酸的微生物,其在L-苏氨酸生物合成途径中通过增强天冬氨酸半醛脱氢酶的活性提高L-苏氨酸生产效率。
2、根据权利要求1所述的微生物,其特征在于,所述微生物具有对甲硫氨酸的必需性,对异亮氨酸的亚必需性,对α-氨基-β-羟基戊酸、2-氨乙基-L-半胱氨酸和L-铃兰氨酸的耐药性。
3、根据权利要求1所述的微生物,其特征在于,天冬氨酸半醛脱氢酶是通过usg基因(序列号:5)编码的。
4、根据权利要求3所述的微生物,其特征在于,微生物是由包含编码天冬氨酸半醛脱氢酶的usg的重组载体转化的。
5、根据权利要求4所述的微生物,其特征在于,生产L-苏氨酸的转化的微生物是大肠杆菌TF64212(保藏号:KCCM-10768)。
6、包含根据权利要求1至5中一种微生物培养步骤的生产L-苏氨酸的方法。
CNA2007800296371A 2006-08-10 2007-08-03 天冬氨酸半醛脱氢酶活性提高的微生物以及使用该微生物生产l-苏氨酸的工艺 Pending CN101541949A (zh)

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