CN103131738B - 用改变乌头酸酶调控元件的细菌发酵生产l-赖氨酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了发酵生产L-赖氨酸的方法，其包括改造细菌染色体上acnA基因的野生型的调控元件，使其乌头酸酶A的表达量降低但不消失；和，用改造的细菌发酵生产L-赖氨酸。另外，本发明还提供了由该方法衍生的方法和应用，以及可以用在这些方法和应用中的细菌等。
Description
技术领域
本发明属于氨基酸发酵领域，具体而言，本发明涉及发酵生产L-赖氨酸的方法及其衍生的方法和应用，和可以用在这些方法和应用中的细菌等。
背景技术
通过产L-赖氨酸的细菌(如，埃希氏菌属的大肠杆菌和棒杆菌属的杆状细菌)发酵来生产L-赖氨酸已经得到了产业化应用。这些细菌，可以是从自然界分离的细菌，也可以是通过诱变或基因工程改造获得的细菌，或者两者兼而有之。当前的文献报道中，通过基因工程改造的注意力主要集中在pnt、dap及ppc等基因上，未见为了L-赖氨酸生产而关注编码乌头酸酶(如，乌头酸酶A)的基因的调控元件。
乌头酸酶是三羧酸循环中的一个酶，该酶催化两步化学反应，分别为柠檬酸转化为乌头酸以及乌头酸转化为异柠檬酸。目前已知在埃希氏菌中，acnA基因(其核苷酸序列如SEQ ID No：1所示)编码乌头酸酶A，但是可能是由于其代谢距离最终的L-赖氨酸产物太远，中间代谢分支太多且复杂，而在L-赖氨酸发酵中一直未引起人们的重视。
本发明人经过长期研究和实践，尤其凭借了一些运气，偶然发现acnA基因的调控元件的改造能够有助于提高L-赖氨酸的产量；然而，现有技术要么通过增加拷贝和/或定点突变导入表达量和/或酶活性提高的有益的酶基因，要么通过敲除不利的基因以使之酶活性和/或表达量消失，但是与之不同的是，本发明人发现，acnA基因的调控元件不能简单地提高或敲除，尤其是敲除后acnA基因的不表达使得细菌生长困难，难以实际应用，因此开发了新的针对acnA基因的调控元件的方法，以此来提高L-赖氨酸的产量，而且该方法与现有改造的大量高产L-赖氨酸的细菌的染色体改造位点没有冲突，可以叠加提高的效果，从而在实践上可用于细菌发酵生产L-赖氨酸。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供新的发酵生产L-赖氨酸的方法及其相关的方法， 包括相对于未改造细菌提高L-赖氨酸的发酵生产量的方法，改造的细菌在发酵生产L-赖氨酸中的应用，改造的细菌在相对于未改造细菌提高L-赖氨酸的发酵生产量的应用，和/或，改造细菌的方法等。另外，本发明还提供了可以用于上述方法中的多核苷酸、载体和/或细菌等。
具体而言，在第一方面，本发明提供了发酵生产L-赖氨酸的方法，其包括：
(1)改造细菌染色体上acnA基因的野生型的调控元件，使改造获得的细菌的乌头酸酶A的表达量降低但不消失；和，
(2)用步骤(1)改造而得到的细菌发酵生产L-赖氨酸。
在本文中，术语“改造”指的是是相应被改造的对象发生变化，从而达到一定的效果。改造位于染色体上的调控元件的频度远小于改造位于染色体上的基因的频度，但是两者进行改造的技术手段基本一致，包括但是不限于，诱变、定点突变、和/或同源重组，优选是后两者。这些技术手段广泛记载于分子生物学和微生物学文献中，有许多甚至已经商品化了。在本发明的具体实施方式中，根据同源重组的原理，采用Addgene公司商品化的pKOV质粒系统来进行改造，将未改造细菌染色体上acnA基因的野生型的调控元件，改造成能够使改造获得的细菌的乌头酸酶A的表达量降低但不消失的新的调控元件。因此，在本文文中，优选改造是通过同源重组进行的改造。
本发明人经过长期研究发现，使得acnA基因所编码的乌头酸酶A的表达量消失，将造成细菌本身生长困难，甚至无法生长/繁殖。因此，本发明的“改造”要相对于未改造的细菌，使改造获得的细菌的乌头酸酶A的表达量降低但不消失，优选使改造获得的细菌的乌头酸酶A的表达量降低20％～95％，更优选降低50％～90％，如降低65％、70％或80％。
相应地，本发明还提供了其他应用或方法。例如，在第二方面，本发明提供了提高L-赖氨酸的发酵量的方法，其包括：
(1)改造细菌染色体上acnA基因的野生型的调控元件，使改造获得的细菌的乌头酸酶A的表达量降低但不消失；和，
(2)用步骤(1)改造而得到的细菌发酵产生L-赖氨酸。
L-赖氨酸作为细菌的重要代谢产物，大多数细菌或多或少都能够发酵产生一定量的L-赖氨酸。尽管低产L-赖氨酸的细菌不适合有经济效益地生产L-赖氨酸，但是通过本发明的方法，仍旧能提高L-赖氨酸的发酵量，仍旧可以供对经济效益不敏感的地方使用。 当然，在本文中，优选细菌是高产L-赖氨酸的细菌。通过本发明的方法，可以进一步提高其产量。另外，在本发明的方法或应用中，除了改造细菌染色体上acnA基因的野生型的调控元件以外，可以不再进行其他改造，如甚至可以不改造细菌染色体上的野生型的acnA基因。例如，尤其对于高产L-赖氨酸的细菌来说，仅仅改造细菌染色体上acnA基因的野生型的调控元件。
又如，在第三方面，本发明提供了改造获得的细菌在发酵生产L-赖氨酸中的应用，其中，所述改造获得是改造细菌染色体上acnA基因的野生型的调控元件而获得，而且使改造获得的细菌的乌头酸酶A的表达量降低但不消失。
改造获得的细菌可以单独应用于发酵生产L-赖氨酸中，也可以和其他产L-赖氨酸的细菌混合发酵生产L-赖氨酸，或者以其他方式应用于发酵生产L-赖氨酸中。在本文中，如无特别限定(如未以“改造获得”来限定)，术语“细菌”是未改造或改造前的细菌，其染色体的acnA基因座位前后的调控元件是野生型的调控元件。
还如，在第四方面，本发明提供了改造获得的细菌在提高L-赖氨酸的发酵量的应用，其中，所述改造获得是改造细菌染色体上acnA基因的野生型的调控元件而获得，而且使改造获得的细菌的乌头酸酶A的表达量降低但不消失。
在本文中，细菌优选是埃希氏菌属细菌，更优选是大肠杆菌，如大肠杆菌K-12菌株的后续菌株，包括W3110衍生的菌株。由于现有技术几乎没有在L-赖氨酸生产/发酵中关注过细菌的acnA基因的调控元件，改造的染色体的基因大多集中于pnt、dap及ppc等基因位点上，甚至都不关注调控元件，因此现有技术中的细菌(尤其是埃希氏菌属细菌，如大肠杆菌)的acnA基因前后没有被报道不带有野生型的调控元件。在本发明的具体实施方式中，无论高产还是低产L-赖氨酸的细菌，只要带有acnA基因的野生型的调控元件，通过本发明的方法进行改造，就能使得L-赖氨酸的发酵量得到提高。
更本质地，在第五方面，本发明提供了改造细菌的方法，其包括改造所述细菌染色体上acnA基因的野生型的调控元件，使改造获得的细菌的乌头酸酶A的表达量降低但不消失。
本发明第五方面的方法改造而获得的细菌能够用于发酵生产或产生L-赖氨酸。因此，在第六方面，本发明提供了本发明第五方面的方法改造而获得的细菌。
野生型的调控元件可以是基因上游的启动子、增强子或启动子区域序列，也可以是基因下游与表达调控相关的序列。优选地，在本文中，所述野生型的调控元件是野生型 的启动子。在本发明的具体实施方式中，所述野生型的启动子的核苷酸序列如SEQ ID No：1所示，其被替换后提高L-赖氨酸的发酵量被证实。
经过本发明人研究和证实，更优选地，在本文中，所述改造细菌染色体上acnA基因的野生型的调控元件是将染色体上acnA基因的野生型的调控元件替换为弱转录调控元件，优选替换为弱转录启动子，如核苷酸序列如SEQ ID No：2所示的弱转录启动子。
另外，本发明还提供了可以用于上述方法中的多核苷酸和/或载体等物质。例如，在第七方面，本发明提供了多核苷酸，所述多核苷酸的核苷酸序列如SEQ ID No：2所示。
又如，在第八方面，本发明提供了载体，其包含本发明第七方面的多核苷酸。
本发明的有益效果在于，开辟并且实践证明了新的提高L-赖氨酸的发酵量的方式，对于高产和低产L-赖氨酸的细菌都适用，而且与现有改造的大量高产L-赖氨酸的细菌的染色体改造位点没有冲突，观察到了可以叠加提高产量的效果，从而在实践上可用于细菌发酵生产L-赖氨酸，便于推广应用。
为了便于理解，以下将通过具体的实施例对本发明进行详细地描述。需要特别指出的是，这些描述仅仅是示例性的描述，并不构成对本发明范围的限制。依据本说明书的论述，本发明的许多变化、改变对所属领域技术人员来说都是显而易见的。
另外，本发明引用了公开文献，这些文献是为了更清楚地描述本发明，它们的全文内容均纳入本文进行参考，就好像它们的全文已经在本文中重复叙述过一样。
具体实施方式
以下通过实施例进一步说明本发明的内容。如未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段和市售的常用仪器、试剂，可参见《分子克隆实验指南(第3版)》(科学出版社)、《微生物学实验(第4版)》(高等教育出版社)以及相应仪器和试剂的厂商说明书等参考。
构建实施例用转录活性较弱的启动子替换acnA的启动子
通过对E.coli K12W3110中acnA上游序列分析，我们设计了弱转录启动子(序列如SEQ ID No：2所示)并委托中科院微生物所合成并构建入pMD-19T质粒(可购自大 连宝生物公司)中，来替换acnA基因ORF上游196bp的野生型的启动子区域(序列如SEQ ID No：1所示)，以减弱野生型acnA基因的强度。
具体而言，以抽提的野生型大肠杆菌E.coliK12W3110基因组染色体为模板，以引物P1和P2、P3和P4分别进行PCR扩增，获得长度分别为486bp和619bp的两条DNA片段(分别命名为Up2和Down2片段)。以含有上述弱转录启动子的pMD-19T质粒，以P5和P6进行PCR扩增，获得长度为161bp的弱转录启动子片段(命名为P片段)。其中，PCR按如下方式进行：94℃变性30s(秒)，52℃退火30s(秒)，以及72℃延伸30s(秒)(30个循环)。
将上述三条D N A片段经琼脂糖凝胶电泳分离纯化后，再以上述Up2和P片段混合为模板，以P1和P6为引物，通过OverlapPCR扩增长约622bp的片段(命名为Up-P片段)。其中，PCR按如下方式进行：94℃变性30s(秒)，52℃退火30s(秒)，以及72℃延伸60s(秒)(30个循环)。
将琼脂糖凝胶电泳分离纯化后的Up-P和Down2片段为模板，以P1和P4为引物，通过Overlap PCR扩增长约1240bp的片段(命名为Up-P-down片段)。其中，PCR按如下方式进行：94℃变性30s(秒)，52℃退火30s(秒)，以及72℃延伸60s(秒)(30个循环)。
上述所用的引物序列如下：
P1：5’-CGCGGATCCGTGATGGCGATTATATGAGG-3’
P2：5’-GGTTTCTTAGACGTCGGATTGAGAAAACGCGCCCATCCAGGA-3’
P3：5’-ATCAGCAGGACGCACTGACCCATTAAGGAGGAGCTATGTCG-3’
P4：5’-ATTGCGGCCGCTCCATTCACCGTCCTGCAATT-3’
P5：5’-TCCTGGATGGGCGCGTTTTCTCAATCCGACGTCTAAGAAACC-3’
P6：5’-CGACATAGCTCCTCCTTAATGGGTCAGTGCGTCCTGCTGAT-3’
将琼脂糖凝胶电泳分离纯化后的Up-P-down片段和pKOV质粒(可购自Addgene公司)分别用BamHI/NotI双酶切，经琼脂糖凝胶电泳分离纯化后连接，获得用于导入的载体pKOV-Up-P-Down，并将载体pKOV-Up-P-Down送测序公司进行测序鉴定，表明其含有正确的弱转录启动子序列，保存备用。
将构建好的pKOV-Up-P-Down质粒分别电转化入低产L-赖氨酸的E.coli NRRLB-12185菌株(可购自美国农业菌种保藏中心(Agricultural Research Service Culture Collection；NRRL)；其构建方法可参见US4346170A)和高产L-赖氨酸的E.coli K12W3110Δ3菌株(可购自中科院微生物研究所，其为经E.coli K12W3110诱变突变得到的赖氨酸生产工程菌)(经测序确认这两个菌株染色体上均保留有野生型的acnA基因及其上下游元件(其上游启动子如Genbank登录号CP004009.1的第2102518至2102713位))，于30℃、100rpm，在LB培养基中复苏2h后，根据Addgene公司的pKOV质粒的商品指南，挑选出同源重组阳性的单克隆，经测序确认其染色体上的野生型acnA基因的上游启动子被替换为弱转录启动子，分别得到acnA启动子突变的(低/高产L-赖氨酸)大肠杆菌。经检测，在不同培养基中，这两个菌株的乌头酸酶的表达量均有65～80％的下降。
效果实施例赖氨酸发酵实验
将E.coli K12W3110Δ3菌株、E.coli NRRL B-12185菌株以及实施例1的菌株分别接种在25mL表1所述的种子培养基中，于37℃、220rpm培养9h。然后取1mL种子培养基的培养物接种在25mL表1所述的发酵培养基中，于37℃、220rpm培养培养48h。当培养完成时，通过HPLC测定L-赖氨酸的产生。
表1培养基配方
结果，E.coli K12W3110Δ3菌株以及构建实施例的高产L-赖氨酸的菌株的L-赖氨酸产量分别为10.2g/L和14.1g/L；E.coliNRRLB-12185菌株以及构建实施例的低产L-赖氨酸的菌株的L-赖氨酸产量分别为1.5g/L和2.0g/L，可见，无论对于高产还是低产L-赖氨酸的原始菌株，acnA基因的启动子突变的大肠杆菌都有助于L-赖氨酸产量的提高。
Claims (10)
1.发酵生产L-赖氨酸的方法，其包括：
(1)改造细菌染色体上acnA基因的野生型的调控元件，使改造获得的细菌的乌头酸酶A的表达量降低但不消失，其中，所述改造细菌染色体上acnA基因的野生型的调控元件是将染色体上acnA基因的野生型的启动子替换为核苷酸序列如SEQ ID No：2所示的弱转录启动子；和，
(2)用步骤(1)改造而得到的细菌发酵生产L-赖氨酸。
2.权利要求1所述的方法，其中，所述细菌是埃希氏菌属细菌。
3.权利要求2所述的方法，其中，所述细菌是大肠杆菌。
4.改造获得的细菌在提高L-赖氨酸的发酵量的应用，其中，所述改造获得是改造细菌染色体上acnA基因的野生型的调控元件而获得，而且使改造获得的细菌的乌头酸酶A的表达量降低但不消失，其中，所述改造细菌染色体上acnA基因的野生型的调控元件是将染色体上acnA基因的野生型的启动子替换为核苷酸序列如SEQ ID No：2所示的弱转录启动子。
5.权利要求4所述的应用，其中，所述细菌是埃希氏菌属细菌。
6.权利要求5所述的应用，其中，所述细菌是大肠杆菌。
7.改造细菌的方法，其包括改造所述细菌染色体上acnA基因的野生型的调控元件，使改造获得的细菌的乌头酸酶A的表达量降低但不消失，其中，所述改造细菌染色体上acnA基因的野生型的调控元件是将染色体上acnA基因的野生型的启动子替换为核苷酸序列如SEQ ID No：2所示的弱转录启动子。
8.权利要求7所述的方法，其中，所述细菌是埃希氏菌属细菌。
9.权利要求8所述的方法，其中，所述细菌是大肠杆菌。
10.权利要求7~9之任一所述的方法改造而得到的细菌。
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