CN102559518A - 一种高产延胡索酸米根霉及其应用 - Google Patents

一种高产延胡索酸米根霉及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高产延胡索酸米根霉及其应用，属于遗传工程领域。本发明采用代谢工程手段，将来源于酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中编码丙酮酸羧化酶的基因ScPYC1过量表达于发酵法生产延胡索酸的菌株Rhizopus delemar NRRL1526中，获得了一株丙酮酸羧化酶活性提高的重组菌R.delemar-pRS303H-PC，其丙酮酸羧化酶活性提高了5.4倍(达到4.59U/mg protein)；以葡萄糖为唯一碳源，发酵72h后，延胡索酸产量达到55.92g/L，是出发菌株的1.19倍，具有广阔的应用前景。

Description

一种高产延胡索酸米根霉及其应用
技术领域
本发明涉及一种高产延胡索酸米根霉，特别是一种通过代谢工程手段过量表达ScPYC1基因提高胞内丙酮酸羧化酶活性来强化三羧酸循环的回补途径，从而调控碳代谢流从丙酮酸进入TCA还原途径，实现延胡索酸过量积累的方法。
背景技术
延胡索酸(fumaric acid)是一种重要的二元羧酸，广泛用于树酯合成、食品添加剂、饲料添加剂、医药、航空材料等工业生产中。米根霉(Rhizopus delemar)作为大量积累延胡索酸的主要微生物之一，广泛用于有机酸、酶、抗体、低胆固醇的生产。R.delemar胞内存在TCA氧化途径及胞液中TCA还原途径。丙酮酸在丙酮酸羧化酶作用下，与CO2相互作用形成草酰乙酸。同时，作为TCA氧化途径中间代谢产物的草酰乙酸，在菌体生长过程中作为前体物质用于菌体物质的合成。当微生物生长环境中氮源成为菌体生长的限制条件时，菌体停止生长，葡萄糖代谢过程中的CO2固定途径仍然继续作用，此时C4化合物积累。在非菌体生长时期，1mol葡萄糖分解代谢，在丙酮酸羧化酶作用下固定2mol CO2，形成2mol延胡索酸。然而，如果米根霉菌体代谢只有TCA还原途径，则无法合成供物质运输及维持机体正常生理代谢的ATP，因此，延胡索酸合成过程伴随着TCA氧化途径。此外，研究表明米根霉新陈代谢，碳代谢流从丙酮酸节点流向TCA氧化途径的代谢通量远超过流向TCA还原途径。因此，通过分子改造或者改变培养条件调节碳代谢流向过量积累延胡索酸成为众多研究者探讨的热点。但是，针对米根霉的基因操作技术及遗传改造技术相对薄弱，且米根霉是多核细胞，重组细胞有丝分裂不稳定。因此，针对米根霉外源基因的表达直到近10年才有一点突破，而碳代谢流的细节至今仍不明确。
发明内容
本发明要解决的技术问题是一种高产延胡索酸米根霉，通过过量表达丙酮酸羧化酶基因，强化胞液中TCA还原途径，增强丙酮酸节点流向胞液中TCA还原途径的碳代谢通量，实现延胡索酸过量积累的方法。
所述米根霉(R.delemar)过量表达外源丙酮酸羧化酶基因。
本发明要解决的另一个技术问题是提供一种获得所述米根霉的方法，具体步骤如下：
1)根据米根霉(R.delemar)胞内蛋白的表达与启动子直接相关，而与拷贝数无关，以NCBI公布的Rhizopus oryzae AF282846、AF282847序列设计两对引物分别扩增丙酮酸脱羧酶基因的启动子与终止子片段；
2)以NCBI公布的NM_001180927.1)序列，采用化学全合成方法合成丙酮酸羧化酶基因编码区；
3)将步骤1)和2)得到的三段片段进行融合，形成完整的丙酮酸羧化酶基因表达框；
4)将步骤3)获得的表达框克隆到pRS303H载体，转化米根霉悬浮孢子后得到重组菌。
本发明要解决的另一个技术问题是提供一种应用所述米根霉发酵生产延胡索酸的方法，以米根霉为出发菌株，接种到产孢子培养基中，30℃培养5-7天，至分生孢子成熟；无菌水洗下孢子，稀释到106个/mL；以4％的体积比转接孢子悬浮液至种子培养基，30℃，200rpm培养30h；以10％的体积比转接前培养种子至发酵培养基，30℃，200rpm培养72h。
产孢子培养基：PDA培养基。
种子培养基成分为(g/L)：葡萄糖20，大豆蛋白胨6，碳酸钙6。
发酵培养基成分为(g/L)：葡萄糖80，(NH4)2SO4 2，KH2PO4 0.3，MgSO4·7H20 0.4，ZnSO4·7H2O 0.044，FeSO4·7H2O 0.01，CaCO3 80，灭菌后加甲醇15mL。
细胞干重测定：基于延胡索酸钙的低溶解度，发酵液沸水浴至澄清后，添加去离子水至无晶体析出，取发酵液20mL，8000g离心10min收集菌丝体。然后用去离子水冲洗菌丝体3遍，105℃过夜烘干至菌丝体质量恒定，测定菌体质量。
葡萄糖、延胡索酸浓度的测定：高效液相色谱(HPLC)
仪器：Aglient1200高效液相色谱仪
检测器：视差择光检测器(refractive index detector，RID)；
检测波长：210nm；
流动相：0.005M H2SO4；
流速：0.5mL·min-1；
柱温：35℃；
液相柱：Bio-Rad Aminex HPX-87H离子交换柱。
样品制备：向发酵液中添加过量的HCl中和发酵液中过量的碳酸钙直至无气泡产生。沸水浴增加延胡索酸的溶解度，至发酵液澄清。基于延胡索酸钙的低溶解度，采用去离子水稀释发酵液直至无延胡索酸晶体析出。收集发酵液样品，备用液相测定。
酶活分析：4℃，10000g离心10min收集菌体，1mol·L-1的KOH溶液清洗菌丝体至浑浊液pH7.0，去离子水清洗菌丝体3遍，4℃，10000g离心10min收集菌体，冷冻干燥，保存在液氮中。以1∶3的比例悬浮菌丝体于0.01M Tris-HCl缓冲液(pH7.5)中，超声波破碎细胞10min，14000g离心15min沉淀细胞碎片，收集上清液立即测定酶活。酶活测定反应液包括Tris-HCl缓冲液(pH8.5)100mM，丙酮酸钠5mM，MgCl2·6H2O 5mM，碳酸氢钠15mM，ATP 2mM，NADH 0.15mM，氯化钾10mM。30℃，反应1min，340nm波长条件下测定吸光度。1单位的酶活定义为单位时间内催化丙酮酸合成1μmol草酰乙酸，即氧化1μmol NADH所需要的酶量，酶活单位为u/mg protein。
本发明以一株能以葡萄糖为唯一碳源，过量积累延胡索酸的R.delemar NRRL1526为出发菌株，利用代谢工程手段构建一株能过量表达ScPYC1基因的重组菌R.delemar-pRS303H-PC。通过强化丙酮酸羧化途径，加大碳代谢流进入TCA还原途径的代谢通量，促进延胡索酸的过量积累。培养72h后，延胡索酸产量达到55.92g/L，是出发菌株的119倍。调节微生物细胞内TCA还原途径，促进碳代谢流流向TCA还原途径中间代谢产物，实现代谢产物过量积累的策略，为工业生物技术特别是采用代谢工程手段改造米根霉提高目的产物产量提供了新的技术思路。
具体实施方式
实施例1萌发孢子的制备
无菌生理盐水从平板上洗下孢子，经过6层镜头纸过滤之后再用无菌生理盐水洗涤3次，将洗涤后的孢子接种于30mL YEPD液体培养基，37℃，200rpm培养4h使孢子萌发，期间每1h取样观察孢子形态一次。4℃，8000rpm离心15min收集萌发的孢子，20mL预冷无菌生理盐水洗涤1次，将孢子重悬于10mL YED培养基中，30℃，150rpm培养60min。4℃，8000rpm离心10min收集孢子，10mL预冷的EB缓冲液洗涤一次后，再用5mL预冷的EB缓冲液悬浮孢子，分装，置冰上备用。
实施例2融合PCR法构建目的片段ScPYC1与表达质粒的构建
以米根霉pdcA非翻译启动子和终止子片段为模板，以NCBI公布的R.oryzae AF282846、AF282847序列设计PCR引物pdcProFPac I、pdcProR、pdcTerF、pdcTerRSalI(详见表1)，由此扩增得到长度为1219bp的pdcA启动子片段，及长度为943bp的终止子片段，并在pdcProF和pdcTerR片段5’端分别加入PacI和SalI两个酶切位点。
以NCBI公布的NM_001180927.1序列，采用化学全合成方法合成酿酒酵母丙酮酸羧化酶基因编码区PYC1片段；
在pfu酶作用下，经过融合PCR，扩增得到pdcAPro，pdcATer，PYC1三段寡核苷酸链的融合片段PYC1。在限制性内切酶PacI和SalI及DNA连接酶作用下，融合片段PYC1连接到前期构建的质粒pRS303H(Taxis C，Knop M.System of centromeric，episomal，and integrativevectors based on drug resistance markers for Saccharomyces cerevisiae.Biotechniques，2006.40(1)：73-78)的PacI/SalI位点得到长约为11.6kbp的转化载体pRS303H-PYC1。
表1本发明中所用到的引物序列
Figure BDA0000122429770000041
实施例2过量表达ScPYC1基因的R.delemar重组菌的筛选
将重组质粒pRS303H-PC纯化后，电转R.delemar NRRL1526(美国农业研究菌种保藏中心)萌发孢子。将能在PDA+HygB培养基上生长的菌株，转接PDA培养基产孢子培养，孢子悬浮液涂布PDA+HygB培养基培养皿，如此连续传代3次，得到遗传稳定的重组子。挑取阳性重组子若干提取基因组，利用引物ProPYC1FPacI、TerPYC1RSalI进行PCR验证，得到长约5.7kb的片段，并进行DNA测序。测序结果与预期一致，表明pRS303H-PC已成功整合到R.delemar基因组中。所得重组菌命名为R.delemar-pRS303H-PC。该菌在以葡萄糖为唯一碳源的培养基上生长时，丙酮酸羧化酶活性为4.59U/mg protein，是出发菌株的5.4倍。
实施例3发酵生产延胡索酸的方法
以米根霉R.delemar-pRS303H-PC为出发菌株，接种到产孢子培养基中，30℃培养5-7天，至分生孢子成熟；无菌水洗下孢子，稀释到106个/mL；以4％的体积比转接孢子悬浮液至种子培养基，30℃，200rpm培养30h；以10％的体积比转接前培养种子至发酵培养基，30℃，200rpm培养72h。
重组菌与对照菌相比：(1)对照菌中延胡索酸产量为46.87g/L，重组菌中延胡索酸产量可达55.92g/L，是对照菌的1.19倍；(2)发酵结束后对照菌菌体量为7.58g/L，重组菌菌体量为7.41g/L，两者相差无几。
Figure IDA0000122429840000011
Figure IDA0000122429840000021

Claims (7)

1.一种高产延胡索酸米根霉(Rhizopus delemar)，其特征在于过量表达酿酒酵母丙酮酸羧化酶基因。
2.根据权利要求1所述米根霉的构建方法，其特征在于包括如下步骤：
1)根据米根霉(R.delemar)胞内蛋白的表达与启动子直接相关，而与拷贝数无关，以NCBI公布的Rhizopus oryzae AF282846、AF282847序列设计两对引物分别扩增丙酮酸脱羧酶基因的启动子与终止子片段；
2)以NCBI公布的NM_001180927.1序列，采用化学全合成方法合成丙酮酸羧化酶基因编码区；
3)将步骤1)和2)得到的三段片段进行融合，形成完整的丙酮酸羧化酶基因表达框；
4)将步骤3)获得的表达框克隆到pRS303H载体，转化米根霉悬浮孢子后得到重组菌。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述转化在1000V～10000V的电场强度下进行。
4.权利要求1所述米根霉应用于延胡索酸的生产，其特征在于采用所述米根霉为出发菌株，接种到产孢子培养基中，30℃培养5-7天，至分生孢子成熟；无菌水洗下孢子，稀释到106个/mL；以4％的体积比转接孢子悬浮液至种子培养基，30℃，200rpm培养30h；以10％的体积比转接前培养种子至发酵培养基，30℃，200rpm培养72h。
5.根据权利要求书4所述的应用，其特征是种子培养基成分为(g/L)：葡萄糖20，大豆蛋白胨6，碳酸钙6。
6.根据权利要求4或5所述的应用，其特征是发酵培养基成分为(g/L)：葡萄糖80，(NH4)2SO4 2，KH2PO4 0.3，MgSO4 7H20 0.4，ZnSO4 7H2O 0.044，FeSO4 7H2O 0.01，CaCO3 80，灭菌后加甲醇15mL。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征是所述米根霉在葡萄糖为唯一碳源，培养72h，延胡索酸产量达到55.92g/L。
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