CN102181503A - 一种发酵生产l-苯丙氨酸的方法 - Google Patents

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何敏
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一种发酵生产L-苯丙氨酸的方法,属于生物工程技术领域,具体涉及温度诱导强化丙酮酸激酶基因pykA缺失型大肠杆菌发酵生产L-苯丙氨酸。本发明在丙酮酸激酶基因pykA缺失型大肠杆菌发酵生产L-Phe过程中,采用分阶段温度诱导策略,即13.5-20h采用诱导温度40℃,20-37h降低温度至38℃,38h以后采用36℃进行诱导。本发明的优点在于:显著改善了丙酮酸激酶基因pykA缺失型大肠杆菌生长和生产L-Phe的能力,提高了发酵过程中质粒的稳定性,改善了在发酵后期关键酶活下降的趋势,提高了L-苯丙氨酸的产量、生产强度和对葡萄糖底物的得率系数。

Description

一种发酵生产L-苯丙氨酸的方法
技术领域
本发明涉及一种发酵生产L-苯丙氨酸的方法,属于生物工程技术领域。
背景技术
苯丙氨酸(Phenylalanine),即D,L-α-氨基-β-苯基丙酸,有外消旋DL-型、L-型和D-型三种,其中具有生物活性的光学异构体为L-苯丙氨酸(L-Phenylalanine,L-Phe)(图1)。L-Phe作为人和动物体内不能合成的8种必需氨基酸之一,是高甜度低热量的新型甜味剂阿斯巴甜的重要组成部分,在食品、饲料添加剂以及医药等领域具有广泛的应用。
大肠杆菌(E.coli)作为生产L-Phe的主要菌株,其胞内L-Phe生物合成途径如图2所示。其中,由磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和4-磷酸赤藓糖(E4P)在3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖酸7-磷酸合成酶(DAHP synthases,DS)的催化下缩合生成3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖酸7-磷酸(DAHP)的反应为第一个限速反应。第二和第三个限速反应分别为由分支酸在分支酸变位酶(Chorismate mutase,CM)的作用下转变为预苯酸,继而在预苯酸脱水酶(Prephenate dehydratase,PDT)的作用下脱水、脱羧后形成PPA。PEP和E4P作为两个重要的限制性底物,它们的供应量决定着中心代谢流的碳源能否有效地导向DAHP的合成,从而为芳香族氨基酸的合成提供充足的前体物质。而PEP作为一个多酶竞争性底物,PTS消耗至少50%的PEP,丙酮酸激酶(Pyruvate kinase,PYK)和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(Phosphoenolpyruvate carboxylase,PPC)利用约32%的PEP,只有3%的PEP用于芳香族氨基酸的合成。因此,通过敲除PYK可有效提高DAHP的产率系数,从而调节PEP在芳香族氨基酸合成中的的供应量,提高L-Phe的产量。
温度作为发酵过程的重要因素之一,影响与生长代谢相关酶类的催化反应速率及稳定性,从而调节微生物的生长和代谢产物的合成。采用适宜的培养温度有望改善PYK突变菌株生产L-Phe的能力。另外,由于生产L-Phe的质粒pAP-B03是一个温度诱导型质粒,诱导温度与参与L-Phe生物合成的关键酶DS和CM-PDT的表达有着密切的联系,而同时,关键酶的活性在不同的温度下表现出不同的稳定性,即温度既影响关键酶的表达,又影响着酶的活力和稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种发酵生产L-苯丙氨酸的方法。
本发明技术方案为:以丙酮酸激酶基因pykA缺失型的大肠杆菌为生产菌株,在诱导阶段,以36-40℃的温度进行诱导合成L-苯丙氨酸。
特别地,当菌体干重(DCW)达到9.5g/L,以36-40℃的温度进行诱导直至发酵结束。
所述丙酮酸激酶基因pykA缺失型的大肠杆菌BR-42ΔpykA(pAP-B03)是在L-苯丙氨酸生产菌株E.coli BR-42(pAP-B03)(保藏于中国典型培养物保藏中心,保藏编号为CCTCC M 2010008,详见专利申请201010124215.6)的基础上敲除了丙酮酸激酶基因pykA。
培养基成分:
种子培养基(g/L):蛋白胨10,氯化钠10,酵母粉5,pH调至7.2;接种前加入卡那霉素至40mg/L。
发酵培养基(g/L):葡萄糖20,(NH4)2SO4 5,KH2PO4 3,MgSO4·7H2O 3,NaCl 1,Na-Citrate 1.5,CaCl2·2H2O 0.015,FeSO4·7H2O 0.1125,维生素B1-HCl0.075,L-Tyr 0.3,蛋白胨4,酵母粉2,微量元素营养液(TES)1.5mL/L,卡那霉素0.04,pH调至6.8。
TES(g/L):Al2(SO4)3·18H2O 2.0,CoSO4·7H2O 0.75,CuSO4·5H2O 2.5,H3BO30.5,MnSO4·7H2O 24,Na2MoO4·2H2O 3.0,NiSO4·6H2O 2.5,ZnSO4·7H2O 15。
培养方法:
三角摇瓶中的种子培养方法:接种量10%,温度37℃,摇床转速200r/min。
3L发酵罐中的发酵培养方法:初始装液量为1.35L,接种量为10%,溶氧水平通过与搅拌转速自动级联控制为30%,通气量为1.5vvm,初始温度为33℃,当DCW达到9.5g/L左右时,以36-40℃的温度进行诱导直至发酵结束。
发酵过程中初始糖耗至5g/L时开始流加700g/L的葡萄糖溶液,每2h取样测定残糖,控制发酵过程中的糖浓度为5±3g/L至发酵结束。通过30%(v/v)磷酸及28%(v/v)氨水将pH维持在6.8±0.3。
所述控制发酵过程中糖浓度的方法为:通过每2h测定实际残糖浓度,通过调节葡萄糖溶液流加速率控制残糖浓度在5±3g/L范围内。
残糖的测定方法:取发酵上清液,稀释一百倍后,使用葡萄糖-谷氨酸盐分析仪SBA-40C测定残糖。
细胞干重(DCW)的测定方法为:取一定量的菌悬液置于10mL容量瓶中,加去离子水定容,摇匀,用722型可见分光光度计,于610nm处比色测OD值,利用细胞干重标准曲线算得细胞干重。
L-苯丙氨酸浓度的测定方法采用氨基酸常用测定方法,高效液相色谱(HPLC)柱前衍生化方法进行测定(Rapid,accurate,sensitive,and reproducible HPLC analysis of amino acids.Henderson,J.W,Ricker,R.D.,Bidlingmeyer,B.A.,Woodward,C.,Agilent Technologies,USA,2000)。
本发明优点在于:
1)改善了菌体在发酵后期的生长,提高了其合成L-苯丙氨酸的能力;
2)提高了质粒的稳定性,减轻了发酵后期关键酶活的下降趋势,使L-Phe生产过程得到加强,提高了L-Phe对葡萄糖底物的的率系数;
3)减少了发酵周期,提高了生产强度。
附图说明
图1,L-Phe的契线式
图2,E.coli中L-Phe合成途径及调控方式
图3,丙酮酸激酶基因pykA缺失型的大肠杆菌的构建流程图
具体实施方式
实施例一
丙酮酸激酶基因pykA缺失型的大肠杆菌的构建方法参照Datsenko和Wanner的方法(Datsenko KA,Wanner BL.One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products[J].Proc Natl Acad Sci USA,2000,97:6640-6645),敲除L-Phe生产菌E.coli BR-42的pykA基因以构建pykA单基因缺失菌株E.coli BR-42ΔpykA。附图3为丙酮酸激酶基因pykA缺失型的大肠杆菌的构建框架图。其中,E.coli BR-42保藏于中国典型培养物保藏中心,保藏编号为CCTCC M 2010008;E.coli JW1843-1购自美国耶鲁大学菌种保藏中心(http://cgsc.biology.yale.edu/);质粒pKD46和pCP20为商品化大肠杆菌质粒。根据NCBI上菌株E.coli W3110的pykA基因上下游序列设计一对引物。
上游引物(AU):5′-AATTGTAGCGACGGAGACG-3′
下游引物(AD):5′-GATTTATGATGGCAAGACG-3′
实施例二
培养基组成详见发明内容部分。
三角摇瓶中的种子培养方法:接种量10%,温度37℃,摇床转速200r/min。
3L发酵罐中的发酵培养方法:初始装液量为1.35L,接种量为10%,溶氧水平通过与搅拌转速自动级联控制为30%,通气量为1.5vvm,初始温度为33℃,当DCW达到9.5g/L左右时,以38℃的温度进行诱导直至发酵结束。当培养基中葡萄糖浓度消耗至5g/L时向发酵罐中流加700g/L的葡萄糖溶液维持其浓度在5±3g/L,发酵过程中通过流加30%(v/v)磷酸及28%(v/v)氨水将pH维持在6.8±0.3。
当发酵进行到24h左右时,菌体浓度出现下降的趋势;在发酵后期,有质粒丢失的现象,发酵结束时,约5%的重组大肠杆菌丢失了质粒,这影响着胞内合成L-苯丙氨酸的关键酶的表达水平;通过检测整个发酵过程中胞内关键酶DS、CM和PDT的酶活变化,发现3种酶随着发酵的进行都呈现先升高后降低的趋势。发酵后期菌体浓度的下降、质粒的丢失以及关键酶活的降低都制约着L-苯丙氨酸的合成效率。结果见表1。
实施例三
3L发酵罐中的发酵培养方法:初始装液量为1.35L,接种量为10%,溶氧水平通过与搅拌转速自动级联控制为30%,通气量为1.5vvm,初始温度为33℃,当DCW达到9.5g/L左右时,以40℃的温度进行诱导直至发酵结束。当初始糖耗完至5g/L以内时开始流加700g/L的葡萄糖溶液,每2h取样测定残糖,控制发酵过程中的糖浓度为5±3g/L至发酵结束,通过30%(v/v)磷酸及28%(v/v)氨水将pH维持在6.8±0.3。
与对照相似,当发酵进行到20h左右时,菌体浓度出现逐渐下降的趋势。在发酵后期质粒丢失较对照严重,发酵结束时,约8%的重组大肠杆菌丢失了质粒,这影响着胞内合成L-苯丙氨酸的关键酶的表达水平;整个发酵过程中胞内关键酶DS、CM和PDT的酶活都呈现先升高后降低的趋势。发酵后期菌体浓度的下降、质粒的丢失以及关键酶活的降低都制约着L-苯丙氨酸的合成效率。结果见表1。
实施例四
3L发酵罐中的发酵培养方法:初始装液量为1.35L,接种量为10%,溶氧水平通过与搅拌转速自动级联控制为30%,通气量为1.5vvm,初始温度为33℃,当DCW达到9.5g/L左右时,以36℃的温度进行诱导直至发酵结束。当初始糖耗完至5g/L以内时开始流加700g/L的葡萄糖溶液,每2h取样测定残糖,控制发酵过程中的糖浓度为5±3g/L至发酵结束,通过30%(v/v)磷酸及28%(v/v)氨水将pH维持在6.8±0.3。
与对照不同的是,以36℃进行诱导时,菌体生长得到了改善,在整个诱导发酵过程中,菌体浓度基本维持在18g/L左右,高于38℃和40℃诱导时的菌体浓度;在发酵后期几乎无质粒丢失现象;而整个发酵过程中胞内关键酶DS、CM和PDT的酶活也呈现先升高后降低的趋势,但在发酵的前期,酶活水平均低于其他两个温度下的酶活,这可能与诱导强度有关。虽然发酵后期高的菌体浓度和高的质粒稳定性为L-苯丙氨酸的过量合成提供了保证,但是发酵前期较低的酶活水平并不利于整个诱导阶段的L-苯丙氨酸合成。结果见表1。
实施例五
3L发酵罐中的发酵培养方法:初始装液量为1.35L,接种量为10%,溶氧水平通过与搅拌转速自动级联控制为30%,通气量为1.5vvm,初始温度为33℃,当DCW达到9.5g/L左右时,采用分阶段温度诱导策略,即13.5-20h采用诱导温度40℃,20-37h降低温度至38℃,38h以后的发酵采用36℃进行诱导。当初始糖耗完至5g/L以内时开始流加700g/L的葡萄糖溶液,每2h取样测定残糖,控制发酵过程中的糖浓度为5±3g/L至发酵结束,通过30%(v/v)磷酸及28%(v/v)氨水将pH维持在6.8±0.3。
通过采用分阶段温度诱导策略,可以显著改善菌体生长和合成L-苯丙氨酸的能力,质粒的稳定性很好的维持在95%以上,发酵前期3种关键酶的酶活水平均高于单一温度诱导下的酶活,而发酵后期,酶活降低的趋势有所缓解,有利于整个诱导阶段的菌体生长和L-苯丙氨酸合成。发酵48h时,L-苯丙氨酸的产量达到52.70g/L,分别比在40℃、38℃和36℃时提高了22.39%、13.77%和12.01%。L-苯丙氨酸对葡萄糖的得率和生产强度都有不同程度的提高。详见表1。
表1不同诱导温度条件下E.coli BR-42ΔpykA(pAP-B03)发酵生产L-Phe的参数比较
Figure BDA0000055462700000061
序列表
 
<110>  江苏汉光生物工程有限公司
 
<120>  一种发酵生产L-苯丙氨酸的方法
 
<160>  2    
 
<170>  PatentIn version 3.5
 
<210>  1
<211>  19
<212>  DNA
<213>  AU
 
<220> 
<223> 根据基因序列设计用于扩增
 
<400>  1
aattgtagcg acggagacg                                                    19
 
 
<210>  2
<211>  19
<212>  DNA
<213>  AD
 
<220> 
<223> 根据基因序列设计用于扩增
 
<400>  2
gatttatgat ggcaagacg                                                    19

Claims (3)

1.一种发酵生产L-苯丙氨酸的方法,以丙酮酸激酶基因pykA缺失型的大肠杆菌为生产菌株,其特征在于,在诱导阶段,以36-40℃的温度进行诱导合成L-苯丙氨酸。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,当菌体干重达到9.5g/L,以36-40℃的温度进行诱导直至发酵结束。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,13.5-20h采用诱导温度40℃,20-37h降低温度至38℃,38h以后采用36℃进行诱导至发酵结束;发酵过程中初始糖耗至5g/L时开始流加700g/L的葡萄糖溶液,每2h取样测定残糖,控制发酵过程中的糖浓度为5±3g/L至发酵结束,通过30%(v/v)磷酸及28%(v/v)氨水将pH维持在6.8±0.3。
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