一种产L-精氨酸的菌株和利用该菌株生产L-精氨酸的方法
技术领域
本发明涉及一种利用黄色短杆菌生产L-精氨酸的方法,涉及以黄色短杆菌(Brevibacterium flavum) ATCC14067为出发菌株,采用亚硝基胍逐级诱变,筛选切断竞争性代谢途径具有组氨酸、丁二酸营养缺陷型菌株的突变株,并筛选具有精氨酸结构类似物、半胱氨酸结构类似物抗性的突变株HX1009(His-,Suc-,D-Argr,SMCr),以提高L-精氨酸的产量。属于生物工程技术领域。
背景技术
L-精氨酸是人体和动物体内的半必需碱性氨基酸,是合成蛋白质和肌酸的原料,也是生物体尿素循环的重要中间代谢物,具有增加人类生长激素、恢复疲劳、增强肌肉力量及提高免疫力、防治心血管疾病以及增强男性精子活性等作用,在医药、食品领域上具有广泛的用途。
L-精氨酸的生产方法有水解法和发酵法,水解法是以含有丰富L-精氨酸的猪毛、蹄甲、血粉、明胶、鱼精蛋白、小杂鱼(如马面鱼皮、鱼骨)等为原料,经水解、分离、制备得到L-精氨酸,如中国专利CN1161959A,96100529.7,200910019665.6等公布的方法。但是,该提取法存在操作费时、收率低,环境污染大、不能满足大规模生产等问题。
发酵法是采用大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌、黏质沙雷菌、棒杆菌或短杆菌等微生物,通过传统诱变或基因工程的方法,筛选解除精氨酸的生物合成的反馈抑制和反馈阻遏突变株,或切断竞争性代谢途径营养缺陷型菌株和切断进一步的代谢途径突变株,以提高L-精氨酸的产量。如日本专利JP60083593公布了培养2-噻唑基丙氨酸抗性株生产L-精氨酸的方法;美国专利US5034319公布了培养半胱氨酸或其类似物抗性菌生产L-精氨酸的方法;龚建华等选育组氨酸缺陷型和具有磺胺胍的抗性的钝齿棒状杆菌产L-精氨酸最高达34g/L(微生物学报,1991,31(6): 460-465.);黄继红等选育磺胺胍抗性的谷氨酸高产菌种LH,摇瓶96h产酸38 g/L(氨基酸和生物资源2005,27(3): 46-48)等,这些通过诱变及结构类似物抗性的方法往往比较单一,筛选得得的突变株往往产酸不高,水平3%左右,甚至遗传稳定性较差。
对于L-精氨酸基因工程菌的研究有很多报道,例如日本味之素株式会社CN1258736A公开通过提高编码精氨琥珀酸合成酶的基因拷贝数增强细胞内的精氨琥珀酸合成酶的活性提高棒状细菌L-精氨酸生产能力,以及CN1347982A通过破裂编码细菌中参与L-精氨酸生物合成的精氨酸阻遏物的基因,使该阻遏物的基因缺失,从而来提高该细菌具有L-精氨酸生产能力;CJ第一制糖株式会社CN101517066A公开了通过乙酰鸟氨酸基转移酶的推定基因argD2基因的高表达的棒杆菌属的突变菌株CJR0500,提高用谷氨酸棒杆菌生产L-精氨酸的方法。但是这些工程菌往往对单一基因进行改造,表达的水平都很低,产酸水平还不高,还不足以应用于实际生产。
国内外关于利用黄色短杆菌(B. flavum)发酵制备L-精氨酸的微生物菌种的研究也已有一些相关的报道,如早年日本Kubota 等对黄色短杆菌进行紫外、亚硝基胍、硫酸二乙酯逐级诱变处理,选育了鸟嘌呤缺陷型(Gu-)、2-噻唑丙氨酸抗性(2-TAr)变异株,在含13%葡萄糖、6%硫酸铵和0.015%鸟嘌呤的培养基上发酵72h,产酸为34.8g/L(J Gen Appl Microbiol, 1973, 19: 339-352)。1982年,味之素公司用黄色短杆菌ATCC 14067 (SDr,MFAr)、黄色短杆菌ATCC 21493(2-TAr,SGr,L-His-,MFAr)发酵72 h产L-精氨酸分别为1.9%、3.6%(明石邦彦,公开特许公报,昭57-18989)。1983年,滕亦等将L-精氨酸生物合成有关的基因进行克隆。然后将含L-精氨酸生物合成酶系基因群及卡那霉素抗性基因的重组质粒 pEArgl 导入到宿主黄色短杆菌ATCC 14067中,构建精氨酸工程菌,经72h 培养L-精氨酸产1.017g/L。2002年,苏令鸣等以黄色短杆菌AT174(AHVr,TA r)为诱变出发株.经亚硝基胍(NTG)诱变处理,获得一株能够积累大量L-精氨酸的菌株AG77 (AHVr,TAr,SGr)。在20L发酵罐中,以葡萄糖为碳源,以硫酸铵等为氨源的培养基中培养4天,产酸率可达31.3g/L(工业微生物,2002,32(1):1-5);他们以AG77(AHVr,TAr,SGr)为诱变出发菌株,筛选His-,Pro-,Met-变异菌株,获得新菌株AN78(AHVr,TAr,SGr ,His-),产L-精氨酸产率达61.1g/L。(工业微生物,2003, 33(2):1-3)。李文廉报道了黄色短杆菌TA188(AHVr,2-TAr,SGr,L-His-)菌株已用于工业化生产,在30L到50m3通气搅拌罐上的发酵,产L-Arg 4.0%~5.7%。(李文廉. L-谷氨酰胺和L-精氨酸发酵生产.化学工业出版社,2009)。
本发明以黄色短杆菌ATCC 14067为出发菌株,采用亚硝基胍逐级诱变,筛选切断竞争性代谢途径具有组氨酸、丁二酸营养缺陷型菌株的突变株,并筛选具有精氨酸结构类似物、半胱氨酸结构类似物抗性的突变株HX1009(His-,Suc-,D-Argr,SMCr),有效地提高了L-精氨酸的产酸水平,并且容易工艺放大。
发明内容
本发明目的在于提供一种生产L-精氨酸的菌株及利用该菌株生产L-精氨酸的方法,包括筛选多重抗性与营养缺陷型,以及在合适的条件下生产L-精氨酸。
本发明的技术方案:一种生产L-精氨酸的菌株,该菌株命名黄色短杆菌HX1009,已保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,保藏编号为CGMCC No.4464,该菌株的遗传特性:组氨酸缺陷型His-,丁二酸缺陷型Suc-,D-精氨酸抗性D-Argr,S-甲基半胱氨酸抗性SMCr。
所述的菌种,以黄色短杆菌ATCC14067为出发菌株,采用亚硝基胍逐级诱变,筛选切断竞争性代谢途径具有组氨酸、丁二酸营养缺陷型菌株的突变株,并具有精氨酸结构类似物抗性、半胱氨酸结构类似物抗性,其D-精氨酸抗性、S-甲基半胱氨酸抗性浓度分别15 mg/mL~25 mg/mL。
所述的菌种,筛选所用诱变培养基的组成为:葡萄糖 10~30 g/L,(NH4)2SO4 3~20 g/L,KH2PO4 2~5g/L,MgSO4·7H2O 0.5~1g/L,FeSO4·7H2O 0.02~0.05 g/L,MnSO4·H2O 0.02~0.05g/L,琼脂15~20 g/L,生物素1×10-5~3×10-5 g/L,硫胺素1×10-4 ~2×10-4 g/L,L-组氨酸0.5×10-2~5×10-2 g/L,丁二酸0.5×10-2 ~5×10-2 g/L,D-精氨酸15×10-3~25×10-3 g/L,S-甲基半胱氨酸15×10-3~25×10-3 g/L,用双蒸水定容至1L,pH 7.0~7.2,121℃灭菌20分钟。
一种利用所述菌株生产L-精氨酸的方法,发酵培养基:葡萄糖100~120 g/L,尿素 1 g/L,玉米浆 5~25 g/L,(NH4)2SO4 30~50 g/L,KH2PO4 0.5~2.0 g/L,K2HPO4·3H2O 0.2~1.0 g/L,MgSO4·7H2O 0.2~ 0.8 g/L,L-His 0.5~1mg/L,生物素 0.05~ 2mg/L,盐酸硫胺素 0.05~1 mg/L,用双蒸水定容至1L,pH 7.0~7.2;将菌株CGMCC No.4464以W/W 5%~15%接种量转接到发酵培养基中,在通气条件下,以摇瓶培养或搅拌式发酵罐通风培养,控制pH6~8;培养温度28~35℃,发酵罐通风气比v/v 1:0.2 ~ 1:3,培养时间65~100小时。
本发明的出发菌株为黄色短杆菌ATCC 14067,用于筛选的营养缺陷物质为组氨酸、丁二酸,抗性物质为D-精氨酸,S-甲基半胱氨酸。
本发明所述突变株黄色短杆菌HX1009具有以下的遗传特性组氨酸缺陷型(His-),丁二酸缺陷型(Suc-)、D-精氨酸抗性(D-Argr)、S-甲基半胱氨酸抗性(SMCr),且抗性物质浓度分别为15~25 mg/L。
本发明采用亚硝基胍逐级诱变处理,将处理的菌液涂布在含一定量的组氨酸,丁二酸、D-精氨酸、S-甲基半胱氨酸的筛选平板上,挑选生长菌落进行摇瓶筛选。突变菌株诱变谱系如附图1所示。
(1)该菌的诱变方法:
出发菌株:黄色短杆菌(Brevibacterium flavum) ATCC14067。
逐级诱变:第一次NTG 处理,得到诱变菌株HX0901(组氨酸缺陷型,丁二酸缺陷型);第二次NTG处理,得到诱变菌株HX0918(组氨酸缺陷型,丁二酸缺陷型,D-精氨酸抗性);第三次NTG 处理,得到诱变菌株HX1009(组氨酸缺陷型,丁二酸缺陷型,D-精氨酸抗性,S-甲基半胱氨酸抗性)。
NTG诱变方法:选用亚硝基胍为诱变剂,采用含适当浓度的精氨酸、半胱氨酸结构类似物平板作为筛选用平板。具体方法如下:种子培养到对数生长中后期(20~30小时)后,取10 mL培养液无菌离心,收集菌体,用0.1 mol/L,pH 6.0的磷酸盐缓冲液洗涤2~3次,转入带玻璃珠的三角烧瓶中振荡打散制备菌悬液(细胞浓度控制在108个/mL左右)。称取少量亚硝基胍溶解在少量丙酮中,再加入磷酸盐缓冲液,制成浓度为1.0 mg/mL的亚硝基胍溶液。取0.8mL菌悬液加入到0.2mL上述亚硝基胍溶液中,30℃振荡反应一定时间,诱变结束后快速离心终止反应,用0.1 mol/L,pH 6.0的磷酸盐缓冲液洗涤菌体沉淀2~3次后用0.5mL无菌生理盐水悬浮。最后取菌悬液涂布筛选平板,31 ℃恒温培养3-5 天后随机挑选菌落进行摇瓶筛选。
(2)培养和筛选:(参考诸葛健,王正祥:工业微生物实验技术手册,中国轻工业出版社,1994)
种子培养:
种子培养基:葡萄糖 30~60 g/L,玉米浆 10~30 g/L,(NH4)2SO4 10~30 g/L,KH2PO4 1~5 g/L,MgSO4·7H2O 0.5~1 g/L,尿素 1.5~5 g/L。pH 7.0~7.2,121℃灭菌20分钟,装液量30 mL/250 mL。种子培养温度28~35℃,摇床转速70~120转/分,时间20~30小时。
营养缺陷型筛选培养:
筛选培养基:葡萄糖 10~30 g/L,(NH4)2SO4 3~20 g/L ,KH2PO4 2~5g/L ,MgSO4·7H2O 0.5~1g/L,FeSO4·7H2O 0.02~0.05 g/L,MnSO4·H2O 0.02 ~0.05g/L,琼脂15~20 g/L,生物素1×10-5~3×10-5 g/L,硫胺素1×10-4 ~2×10-4 g/L,L-组氨酸0.5×10-2~5×10-2 g/L,丁二酸0.5×10-2 ~2×10-2 g/L,D-精氨酸15×10-3~25×10-3 g/L, 或再补加S-甲基半胱氨酸15×10-3~25×10-3 g/L,琼脂15~20 g/L,pH 7.0~7.2,121℃灭菌20分钟。筛选培养条件: 温度28~35℃,时间1~5天。
D-精氨酸(D-Arginine,简写D-Arg)抗性突变株的筛选
配制基本培养基,灭菌后加入适量的D-精氨酸使平板中的D-精氨酸浓度分别为:5 mg/mL、10 mg/mL、15 mg/mL、20 mg/mL。再在各个不同浓度D-精氨酸平板上涂布适量的出发菌株菌悬液,观察生长情况,根据出发菌株耐受D-精氨酸的浓度确定诱变菌株筛选用药物浓度。将诱变后的菌液涂布到此浓度的药物平板上,置30 ℃温箱中培养3-5 天,随机挑选菌落进行摇瓶筛选。
S-甲基半胱氨酸抗性突变株的筛选
采用与确定D-精氨酸药物浓度相同的方法确定精氨酸氧肟盐的筛选用浓度。将诱变菌液涂布到此浓度的药物平板上,置31 ℃温箱中培养3-5 天,随机挑选菌落进行摇瓶初筛。
(3)发酵产酸:
发酵培养基:葡萄糖 100~120 g/L,尿素 1 g/L,玉米浆 5~25 g/L,(NH4)2SO4 30~50 g/L,KH2PO4 0.5~2.0 g/L,K2HPO4·3H2O 0.2~1.0 g/L,MgSO4·7H2O 0.2~0.8 g/L,L-His 0.5~1mg/L,生物素 0.05~ 2mg/L,盐酸硫胺素 0.05~1 mg/L,用双蒸水定容至1L,pH 7.0~7.2。
将菌株以5%~15%(W/W)接种量转接到发酵培养基中,在通气条件下,以摇瓶培养或搅拌式发酵罐通风培养,控制pH6~8,培养温度28~35℃,发酵罐通风气比1:0.2 ~ 1:3(v/v),培养时间65~100小时。
用5%~10%的接种量接种于5L、15L发酵罐或5M3发酵罐, 30~31℃、300r/min~850 r/min、pH 6.5~7.6、1:0.5 ~ 1:3(v/v)的通风量培养70 小时左右。
(4)发酵液中L-精氨酸的测定:采用坂口改良法(H Rosenberg, et al. Biochemical Journal, 1956,63:153)。
本发明的有益效果:本发明采用NTG逐级诱变筛选得到一株高产L-精氨酸的黄色短杆菌(B. flavum) 突变株HX1009(His-,Suc-,D-Argr,SMCr),在5 L~5M3发酵罐上发酵生产L-精氨酸,产酸水平达到50-70 g/L。
生物材料样品保藏:该突变株黄色短杆菌HX1009(His-,Suc-,D-Argr,SMCr)已保藏在北京中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,简称CGMCC,保藏日期:2010年12月13日,保藏编号CGMCC No.4464。
附图说明
图1生产L-精氨酸菌株CGMCC No.4464的诱变谱系图。
具体实施方式
实施例1
制备组氨酸缺陷型,丁二酸缺陷型的黄色短杆菌突变株HX1009(His-,Suc-)
用出发菌株ATCC14067的斜面菌种,按常规方法,挑一环接种于种子培养基(葡萄糖 30~60 g/L,玉米浆 10~30 g/L,(NH4)2SO4 10~30 g/L,KH2PO4 1~5 g/L,MgSO4·7H2O 0.5~1 g/L,尿素 1.5~5 g/L,pH 7.0~7.2,121℃灭菌20分钟,装液量30 mL/250 mL),在往复式摇床上,温度30℃,转速100转/分,培养20小时后,取10 mL培养液无菌离心,收集菌体,用0.1 mol/L,pH 6.0的磷酸盐缓冲液洗涤2~3次,转入带玻璃珠的三角烧瓶中振荡打散制备菌悬液(细胞浓度3.2×108个/mL)。
取0.8mL菌悬液,加入0.2mL预先配制好的浓度为1.0 mg/mL的亚硝基胍丙酮溶液,30℃振荡反应一定时间(分2分,4分,6分钟三个系列),诱变结束后快速离心终止反应,用0.1 mol/L,pH 6.0的磷酸盐缓冲液洗涤菌体沉淀2~3次后用0.5mL无菌生理盐水悬浮。最后取菌悬液涂布筛选平板,30 ℃恒温培养3-5 天,期间视菌落生长情况随机挑选菌落进行摇瓶筛选。经NTG诱变,得到突变株HX0901 (His-,Suc-),摇瓶产酸22.3 g/L。
摇瓶种子培养基(g/L):葡萄糖 30,玉米浆 20,(NH4)2SO4 20,KH2PO4 1,MgSO4·7H2O 0.5,尿素 1.5 。pH 7.0~7.2,121℃灭菌20分钟,装液量30 mL/250 mL。
摇瓶发酵培养基(g/L):葡萄糖 120,玉米浆 25,(NH4)2SO4 50,KH2PO4 1.5,MgSO4·7H2O 0.5,FeSO4·7H2O 0.02,MnSO4·H2O 0.02,生物素 8×10-5,L-组氨酸 5×10-4,CaCO3 30。pH 7.0~7.2,121℃灭菌10 分钟,装液量20 mL/250 mL。
实施例2
制备D-精氨酸抗性,S-甲基半胱氨酸抗性的黄色短杆菌突变株HX1009(His-,Suc-,D-Argr,SMCr)
将HX0901(His-,Suc-)按实施例1的方法,培养到对数生长中后期,然后以5%的接种量转接到新鲜培养基中培养5 小时。然后取10 mL培养液无菌离心,收集菌体,按实施例1的方法,用亚硝基胍诱变,诱变结束后用0.5mL无菌生理盐水悬浮。最后取菌悬液涂布抗性筛选培养基平板,30 ℃恒温培养3-5 天,期间视菌落生长情况挑选大菌落进行摇瓶筛选。
抗性筛选基础培养基(g/L):葡萄糖10,(NH4)2SO4 3 ,KH2PO4 1 ,MgSO4·7H2O 0.5 ,FeSO4·7H2O 0.02 ,MnSO4·H2O 0.02 ,琼脂20,生物素3×10-5,硫胺素2×10-4,L-组氨酸5×10-3, 丁二酸1×10-2。pH 7.0~7.2,121℃灭菌20分钟。
抗性筛选培养基:在抗性筛选基础培养基中分别添加20 mg/mL的 D-精氨酸或25 mg/mL的 D-精氨酸和20 mg/mL S-甲基半胱氨酸。
HX0901经NTG诱变,得到D-精氨酸抗性筛选结果见表1。
表1 菌株HX0901经过NTG诱变后部分突变株产酸结果
菌株号 |
L-精氨酸的产量(g/L) |
HX0901 |
22.3 |
HX0905 |
25.5 |
HX0907 |
25.3 |
HX0918 |
30.6 |
HX0921 |
23.6 |
其中HX0918 (His-,Suc-,D-Argr)继续用NTG诱变,得到S-甲基半胱氨酸抗性筛选结果见表2
表2 菌株HX0918经过NTG诱变后部分突变株产酸结果
经NTG诱变,其中得到突变株HX1009(His-,Suc-,D-Argr,SMCr),摇瓶产酸37.6 g/L。
实施例3
黄色短杆菌突变株HX1009在5L和15L发酵罐中发酵产精氨酸
按实施例1和实施例2筛选培养的突变株HX1009,将其培养好的种子按10%种量接种于5L、15L罐的发酵培养基中发酵,发酵培养基:葡萄糖 100 g/L,尿素 1 g/L,玉米浆 25 g/L,(NH4)2SO4 40 g/L,KH2PO4 1.1 g/L,K2HPO4·3H2O 0.5 g/L,MgSO4·7H2O 0.5 g/L,L-His 1mg/L,生物素 0.05mg/L,盐酸硫胺素 0.2mg/L,培养基初始 pH 7.0~7.2。
发酵罐自动控制发酵温度30±1℃,用25%氨水调节pH 6.5~7,发酵过程中搅拌转速300r/min~850 r/min,通风量1:0.5 ~ 1:3(v/v),根据溶解氧情况调节。发酵过程中通过蠕动泵流加葡萄糖和玉米浆,分别发酵60~96小时,其六个批次积累L-精氨酸等发酵水平的情况见表3。
表3 5~15L 发酵罐试验结果
实施例4
黄色短杆菌突变株HX1009在5M3罐发酵中发酵产精氨酸
按实施例3的方法,培养突变株HX1009的种子,将培养好的种子按10%种量接种于5L、15L、5 M 3罐发酵。按实施例3的方法,控制发酵温度30~31℃、搅拌转速300r/min~850 r/min、pH 6.5~7,通风量1:0.5 ~ 1:3(v/v),发酵过程,通过蠕动泵流加葡萄糖和玉米浆,培养72小时,其中5 M 3发酵过程数据见表4。
表4 5 M 3罐发酵过程
发酵时间/h |
pH |
溶解氧DO/% |
菌体OD(1/100) |
发酵残糖RG/g/L |
L-Arg/ g/L |
0 |
7.20 |
72.6 |
0.05 |
102.2 |
|
2 |
7.50 |
57.8 |
0.08 |
100.1 |
|
4 |
7.42 |
48.0 |
0.12 |
100.2 |
|
6 |
7.22 |
40.2 |
0.14 |
98.6 |
|
8 |
7.22 |
31.2 |
0.16 |
92.2 |
|
10 |
7.02 |
41.4 |
0.38 |
86.3 |
|
12 |
6.92 |
36.6 |
0.40 |
77.8 |
|
14 |
6.98 |
29.2 |
0.44 |
70.2 |
|
16 |
6.96 |
22.6 |
0.52 |
60.6 |
|
18 |
6.82 |
25.8 |
0.54 |
52.5 |
3.0 |
20 |
6.76 |
20.8 |
0.60 |
80.9 |
4.6 |
22 |
6.76 |
23.3 |
0.64 |
62.9 |
8.0 |
26 |
6.82 |
22.9 |
0.76 |
42.9 |
11.6 |
30 |
6.72 |
17.6 |
0.84 |
80.0 |
15.2 |
34 |
6.68 |
23.8 |
0.88 |
66.5 |
19.0 |
38 |
6.76 |
24.3 |
0.90 |
56.2 |
24.2 |
42 |
6.78 |
29.1 |
0.92 |
82.9 |
28.0 |
46 |
6.76 |
20.6 |
0.96 |
68.8 |
32.2 |
50 |
6.76 |
28.8 |
1.02 |
46.2 |
36.0 |
54 |
6.76 |
30.2 |
1.02 |
66.2 |
42.5 |
58 |
6.80 |
26.8 |
1.04 |
38.6 |
46.8 |
62 |
6.92 |
26.3 |
1.07 |
20.2 |
51.6 |
66 |
7.08 |
58.2 |
1.06 |
10.8 |
55.5 |
由表4可知,在本实验的条件下,黄色短杆菌(Brevibacterium flavum) 突变株HX1009(His-,Suc-,D-Argr,SMCr),5M3发酵罐上发酵66小时,总投入葡萄糖按最终体积计葡萄糖浓度为202 g/L,发酵剩余糖浓度为10.8 g/L,产L-精氨酸55.5 g/L,对投入糖产率24.95%,糖利用率94.65%,生产强度0.841 g/(L·h)。