CN103509816B - 生产辅酶q10工程菌的构建方法、工程菌及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物技术领域，公开了生产辅酶Q10工程菌的构建方法、工程菌及其应用，包括以下步骤：a.从类球红细菌菌液中提起总基因组DNA；b.用聚合酶链式反应扩增出UbiG基因；c.？将扩增出的UbiG基因与广宿主质粒连接，构建重组载体；d.将重组载体转化至大肠杆菌S17-1中；e.将大肠杆菌S17-1与类球红细菌进行接合转移，即得工程菌。本发明提供的通过调控类球红细菌芳香环修饰途径提高辅酶Q10产量的方法操作简单，能将辅酶Q10合成能力提高30%以上，适合辅酶Q10大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及生物技术领域，尤其涉及了一种生产辅酶Q10工程菌的构建方法、工程菌及其应用。
背景技术
辅酶Q是生物体内广泛存在的脂溶性醌类化合物,不同来源的辅酶Q其侧链异戊烯单位的数目不同,人类和哺乳动物是10个异戊烯单位，故称辅酶Q10。如式(Ⅰ)所示：
辅酶Q10是生物细胞呼吸链中的重要递氢体，是一种良好的生化药物，近年来已广泛应用于各类心脏病、糖尿病、癌症、急慢性肝炎、帕金森症等疾病的治疗。此外，在治疗坏血病、卜二指肠溃疡、坏死性牙周炎以及促进胰腺功能和分泌等方面也有显著效果。最近，研究者发现CoQ10具有抗衰老作用，从而将其应用扩展到化妆品和保健品领域，使其在国内外的需求进一步扩大。
辅酶Q10的制备方法主要有三种，即动植物组织提取法、化学合成法和微生物发酵法。动植物组织提取法中动植物辅酶Q10含量低，而且各种化学成份复杂，并受原料和来源限制，因此产品成本高，价格昂贵，规模化生产受到了一定限制。化学合成法技术上比较成熟，主要是以来源较丰富的茄尼醇为原料合成的，但其产物为顺反异构体的混合物，生物活性低，合成生物活性高的CoQ10尚未达到工业化生产的程度。微生物发酵法合成的辅酶Q10成本低、无光学异构体，生物学活性高，大规模生产应用效果好。
常用的微生物包括红螺菌，土壤杆菌，类球红细菌，根瘤菌等。其中类球红细菌培养简单，是辅酶Q10高效的生产菌之一。在细菌中，辅酶Q由两部分组成：醌环部分和异戊二烯侧链部分。醌环骨架由分支酸途径合成，前体是对羟基苯甲酸。侧链由异戊二烯途径合成，侧链的长短决定了辅酶Q的种类的不同。在类球红细菌中，异戊二烯焦磷酸异构体二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP)与9分子异戊二烯焦磷酸(IPP)依次在牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶及聚十异戊二烯焦磷酸合酶的催化下生成聚十异戊二烯焦磷酸。十异戊二烯焦磷酸和对羟基苯甲酸缩合形成辅酶Q10的前体物，该前体物苯环经修饰之后形成目标产物辅酶Q10。辅酶Q10的芳香环修饰反应是辅酶Q10合成的限速步骤。其中UbiG编码的酶催化三次甲基化反应。
目前尚无专利是有关于通过UbiG基因过表达强化类球红细菌辅酶Q10的合成能力。
发明内容
本发明针对微生物发酵法生产辅酶Q10产量较低且生产成本较高等缺点，提供了一种能显著提高辅酶Q10产量的生产辅酶Q10工程菌的构建方法、工程菌及其应用。通过引用该方法，可以极大提高应用微生物发酵法生产辅酶Q10的产量，降低了辅酶Q10的生产成本。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
生产辅酶Q10的工程菌的构建方法，包括以下步骤：
a.从类球红细菌菌液中提起总基因组DNA；
b.用聚合酶链式反应扩增出UbiG基因；
c.将扩增出的UbiG基因与广宿主质粒连接，构建重组载体；
d.将重组载体转化至大肠杆菌S17-1中；
e.将携带基因敲除质粒的大肠杆菌S17-1与类球红细菌进行接合转移，即得工程菌。
作为优选，所述的UbiG基因的核苷酸序列为SEQIDNO.1所示。
作为优选，所述的广宿主质粒为克隆载体pBBR1MCS-2。
一株利用上述构建方法得到的用于生产辅酶Q10的工程菌，该菌为类球红细菌，拉丁文学名为Rhodobactersphaeroides；命名为NHU-ZUB菌株；保藏单位：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心；保藏时间：2012年4月13日；保藏编号：CGMCCNo.5997。
利用上述的工程菌生产辅酶Q10的方法如下：
f.挑取NHU-ZUB菌株单克隆接种于含10mL种子培养基的50mL摇瓶中，转速为200rpm，在26-34℃培养23h，得一级种子；
g.将一级种子按1％的比例转接至含20mL种子培养基的50mL摇瓶中，在26-34℃，200rpm的条件下培养23h，获得二级种子；
h.将二级种子以1％的比例接种至含100mL发酵培养基的500mL中，在26-34℃，200rpm的条件下培养120h，收集菌液并可通过常规方法提取菌液中的辅酶Q10。
作为优选，所述的种子培养基每100mL中含有：
(NH4)2SO40.25g，玉米浆0.05g，酵母提取物0.14g，NaCl0.2g，葡萄糖0.3g，K2HPO40.05g，KH2PO40.05g，MgSO40.1g，FeSO40.01g，CoCl20.003g，MnSO40.0001g，CaCO30.8g，维生素B10.1ug，维生素K0.1ug，维生素A0.15ug；pH调节为7.2。
作为优选，所述的发酵培养基每100mL中含有：
(NH4)2SO40.3g，NaCl0.28g，葡萄糖4g，KH2PO40.15g，味精0.3g，MgSO40.63g，玉米浆0.4g，FeSO40.12g，CoCl20.005g，CaCO30.6g，维生素B10.1ug，维生素K0.1ug，维生素A0.15ug；pH调节为7.2。
其中类球红细菌可从河边污泥中分离得到；大肠杆菌S17-1购自美国模式培养物集存库，编号ATCC47055。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
本发明提供的通过调控类球红细菌芳香环修饰途径提高辅酶Q10产量的方法操作简单，能有效降低生产成本，对仪器设备要求低，生产过程对环境污染小，将该工程菌应用于辅酶Q10的微生物发酵法生产，能够在不改变原有的生产过程，工艺步骤，培养条件的情况下，使微生物发酵法生产辅酶Q10的生产能力在原有基础上提高达30％以上，适合辅酶Q10大规模工业化生产,具有很高的应用价值和工业实用性。
保藏信息
保藏名称：类球红细菌，拉丁文学名为Rhodobactersphaeroides；命名为NHU-ZUB菌株；
保藏时间：2012年4月13日；
保藏编号：CGMCCNo.5997；
保藏单位：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述：
实施例1
一、重组质粒的构建
1.设计引物
用Primer5引物设计软件设计引物序列。克隆基因UbiG，
上游引物：CGGGATCCGCAATGGAATCGTCCAGCACC，
下游引物：CCCAAGCTTTCTGAGACGGGACCGGAAG，
上游引物添加酶切位点BamHI，下游引物添加酶切位点HindIII。
2.提取类球红细菌基因组(所用试剂均来自Biospin细菌基因组DNA提取试剂盒)
1)吸取0.5-4mL细菌(最多5×109个细菌)，13500rpm离心1分钟，尽可能吸净上清。
2)加入100uLELBuffer，使用tip头吹打均匀。
3)37℃温育40分钟。
4)加入100uLRSBuffer,随后加入10uLPKSolution,充分混匀。
5)于56℃环境中温浴15分钟，然后移出。
6)加200uLGABuffer并混合均匀。
7)于12000rpm离心1分钟。将上清液转移到一个新的1.5mL离心管。
8)加400uL的BABuffer，并混合均匀。
9)将混合液体转移至Spincolumn。于10000rpm离心1分钟，并弃去接液管中液体。
10)向Spincolumn中加入500uL的GBindingBuffer。于10000rpm离心30秒，并弃去接液管中液体。
11)向Spincolumn中加入500uL的WashBuffer。于10000rpm离心30秒，并弃去接液管中液体。
12)再向Spincolumn中加入500uL的WashBuffer。于10000rpm离心30秒，并弃去接液管中液体。
13)再次将Spincolumn于10000rpm离心1分钟，并将Spincolumn转移至一个新的1.5mL离心管。
14)向Spincolumn中加入100uLElutionBuffer，并于室温温育1分钟。
15)于12000rpm离心1分钟，并弃去Spincolumn。1.5mL离心管中剩余液体即含有基因组DNA。
3.进行PCR扩增UbiG基因
用高保真酶PrimeSTAR(购自大连宝生物公司)扩增，采用标准反应体系：GC缓冲液25uL，水16uL，dNTP混合液4uL，上游引物1.5uL(10uM)，下游引物1.5uL(10uM)，类球红细菌基因组DNA1.5uL，PrimeSTAR酶0.5uL。扩增程序为：30个循环，每个循环包含98℃变性10秒，60℃退火5秒，72℃延伸2分钟。
4.PCR产物和质粒进行酶切(所用试剂来自AxyPrepPCR清洁试剂盒)
将PCR产物取出，各加入150uLPCRA，然后均加入离心柱中，取一支空白离心柱加入400uL水，一起13500rpm离心1分钟，加入BUFFERW2700uL，13500rpm离心1分钟，弃清液，再加入W2700uL，再13500rpm离心1分钟。弃清液，再空离1分钟，彻底甩干离心柱。加入34uLEluent，然后取2支离心管。一支加入UbiG基因34uL，另一只加入pBBR1MCS-2质粒34uL,HindIII和BamHI各加入1uL，加入4uLBUFFER。放入37℃水浴酶切1.5小时。
5.电泳
1)制备1％琼脂糖凝胶：称取0.2g琼脂糖置于锥形瓶中，加入20mL1×TAE，瓶口倒扣小烧杯。微波炉加热煮沸3次至琼脂糖全部融化，摇匀，即成1.0％琼脂糖凝胶液。冷却到65℃左右加入GelGreen染色剂3uL。
2)胶板制备：取电泳槽内的有机玻璃内槽(制胶槽)洗干净，晾干，放入制胶玻璃板。取透明胶带将玻璃板与内槽两端边缘封好，形成模子。将内槽置于水平位置，并在固定位置放好梳子。将冷却到65℃左右的琼脂糖凝胶液混匀小心地倒入内槽玻璃板上，使胶液缓慢展开，直到整个玻璃板表面形成均匀胶层。室温下静置直至凝胶完全凝固，垂直轻拔梳子，取下胶带，将凝胶及内槽放入电泳槽中。添加1×TAE电泳缓冲液至没过胶板1-2mm为止。
3)加样：在点样板上将酶切的PCR产物和pBBR1MCS-2质粒与上样缓冲液混合，上样缓冲液的最终稀释倍数应不小于1X。用10uL微量移液器分别将样品加入胶板的样品小槽内，每加完一个样品，应更换一个加样头，以防污染，加样时勿碰坏样品孔周围的凝胶面。并加入10uLDNAmarker-D作为对照。
4)电泳：加样后的凝胶板立即通电进行电泳，电压100V，样品由负极(黑色)向正极(红色)方向移动，电压升高，琼脂糖凝胶的有效分离范围降低。当溴酚蓝移动到距离胶板，下沿约1cm处时，停止电泳。
5)电泳完毕后，取出凝胶，在紫外灯下观察,显示750bp处有明显条带。证实UbiG的PCR扩增成功。
6.割胶回收(所用试剂来自AxyPrepDNA凝胶回收试剂盒)
1)割下对应条带的胶。
2)将胶放入1.5mL离心管中，计算凝胶重量。(需提前记录离心管重量)该重量作为一个凝胶体积(100mg＝100uL)。再加入3个凝胶体积的BUFFDE-A，混合后75℃加热融化，约6-8分钟,期间间断混合。再加入0.5个BUFFERDE-A体积的BUFFERDE-B，混合均匀。
3)将混合液转入DNA制备管。13500rpm离心1分钟，弃滤液。加入500uLBUFFERW1，13500rpm离心30秒，弃滤液。加700uLBUFFERW2,13500rpm离心30秒，弃滤液。再加700uLBUFFERW2,13500rpm离心1分钟，弃滤液。然后再13500rpm离心1分钟。将制备管置于洁净的1.5mL离心管中，在制备膜中央加入25uLEluent，室温静置1分钟，13500rpm离心1分钟洗脱DNA。
7.T4连接酶连接，构建重组质粒
取割胶回收得到的UbiG5.5uL,pBBR1MCS-2质粒3uL，T4连接酶0.5uL，T4连接酶BUFFER1uL混合，22℃水浴连接30分钟。
二、重组质粒转化到大肠杆菌S17-1
取出大肠杆菌S17-1感受态2管，冰浴10分钟后加入重组质粒。冰浴20分钟，热击90秒，冰浴5分钟，加入600uLLB液体培养基。37℃培养45分钟后5000rpm离心5分钟，弃300uL上清液，将剩余液体涂布到卡那平板上。
三、接合转移
1.接种类球红细菌。
2.第二天晚上接种已转化大肠杆菌S17-1的阳性克隆。
3.第三天早上转接大肠杆菌S17-1，每管5mLLB培养基加入100uL菌液，并加入5uL卡那霉素，放入37℃摇床培养。培养3-4小时。
4.取4mL类球红细菌菌液和2mL大肠杆菌菌液，分装至2mL离心管中，每管1mL。
5.5000rpm离心5分钟。
6.各弃上清，加入1mL新鲜LB培养基，轻轻重悬菌体。
7.5000rpm离心5分钟。
8.各弃上清，加入1mL新鲜LB培养基，轻轻重悬菌体。
9.按类球红细菌和大肠杆菌的比例为100：10，100：20，100：50，100：100的比例混匀菌液。
10.将混合液浇注于滤膜中心区域。
11.将LB平板小心移至32℃培养箱中培养过夜。
12.用镊子将滤膜转移至2mL离心管中。
13.用700uLLB液体培养基将滤膜上的菌体冲洗下来并吹散。
14.分装涂布到平板培养基上，每板350uL菌液。放入32℃培养箱中培养72小时。平板培养基每100mL中含有：酵母提取物0.8g，FeSO40.01g，K2HPO40.13g，CoCl20.003g，NaCl0.2g，MnSO40.0001g，MgSO40.025g，葡萄糖0.3g，维生素B10.1ug，维生素K0.1ug，维生素A0.15ug，琼脂粉1.5g；pH调节为7.2。
四、接合转移完检验是否为阳性克隆
1.挑取2个生长良好的菌落培养30～48小时。
2.转接后2～4小时提取质粒(所用试剂来自AxyPrep质粒DNA小量试剂盒)。
1)取2mL菌液加入离心管。13400rpm离心1分钟，弃上清。再加入2mL菌液，13400rpm离心1分钟，弃上清。
2)加入250uLBufferS1悬浮细菌沉淀。不留小的菌块。需确认S1中已加入RNaseA。
3)加250uLBufferS2，温和并充分上下翻转4-6次混合均匀使菌体充分裂解，直至形成透亮的溶液。此步骤不宜超过5分钟。BufferS2需尽量减少与空气的接触。
4)加350uLBufferS3。温和并充分的上下翻转混合6-8次，13400rpm离心14分钟。
5)取上清液转至制备管，置于2mL离心管中，13400rpm离心1分钟，弃上清。
6)加入500uLBufferW1,13400rpm离心1分钟，弃上清。
7)加700uLBufferW2，13400rpm离心1分钟，弃上清。再加700uLBufferW2，13400rpm离心1分钟，弃上清。需确认BufferW2已加入无水乙醇。
8)然后13400rpm空离1分钟，将制备管移入新的1.5mL离心管中，加入80uL已预热到65度的Eluent，室温静置1分钟，13400rpm离心1分钟。
3.酶切后进行电泳检测。700bp左右有目的条带，证实为阳性克隆。
实施例2
发酵培养
一级种子：挑取NHU-ZUB菌株单克隆接种于含10mL种子培养基的50mL摇瓶中，转速为200rpm，在30℃培养23h。
二级种子：将一级种子按1％的比例转接至含20mL种子培养基的50mL摇瓶中，在30℃，200rpm的条件下培养23h，获得二级种子。
发酵培养：将二级种子以1％的比例接种至含100mL发酵培养基的500mL中，在30℃，200rpm的条件下培养120h。收集菌液并提取辅酶Q10。
实验例：HPLC检测比较菌株改造前后Q10产量对比，见表一：
表一菌株改造前后Q10产量对比
由上表得，改造后菌株的辅酶Q10产量由2500mg/L增长至2950mg/L。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
SEQUENCELISTING
<110>浙江新和成股份有限公司、上虞新和成生物化工有限公司
<120>生产辅酶Q10工程菌的构建方法、工程菌及其应用
<210>1
<211>744
<212>DNA
<213>Unknown
<223>人工序列
<400>1
Atggaatcgtccagcaccatcgacccggccgaggttgccaagttcgaggccatggcagcc60
gaatggtggaacccgcacgggaagttcaagccgctgcaccagatgaacccctgccggctg120
gattacatcacccagcagatcgccgccgagttcgaccgcgacctctccgcccccctgccc180
ttcgaggggctgcggctcctcgacatcggctgcggcggcgggcttctctccgagccgatg240
gcgcgtctgggggccgaggtgatcggcgcggacgccgcgccgcgcaacatcccggtggcg300
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tgggtgatgcgctggctgcccaagggcacgcacgactggtcgaaattcatcacgcccgac600
gagctttacgatctgatccgcaaggcgggcctcgatccggtcgaccgcaagggcatggtg660
ttcaatccggtcagctggagctggagcctctcggcccgcgacctgtcggtgaactacgtc720
accgcgagcgtgcggcgcacctga744
Claims (6)
1.一种生产辅酶Q10的工程菌的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.从类球红细菌菌液中提取总基因组DNA；
b.用聚合酶链式反应扩增出UbiG基因，所述的UbiG基因的核苷酸序列为SEQIDNO.1所示；
c.将扩增出的UbiG基因与广宿主质粒连接，构建重组载体；
d.将重组载体转化至大肠杆菌S17-1中；
e.将大肠杆菌S17-1与类球红细菌进行接合转移，即得工程菌。
2.根据权利要求1所述的生产辅酶Q10的工程菌的构建方法，其特征在于：所述的广宿主质粒为克隆载体pBBR1MCS-2。
3.一株类球红细菌(Rhodobactersphaeroides)工程菌，其特征在于：该工程菌命名为NHU-ZUB菌株；保藏单位：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心；保藏时间：2012年4月13日；保藏编号：CGMCCNo.5997。
4.利用如权利要求3所述的工程菌生产辅酶Q10的方法，其特征在于，方法如下：
a：挑取NHU-ZUB菌株单克隆接种于含10mL种子培养基的50mL摇瓶中，转速为200rpm，在26-34℃培养23h，得一级种子；
b：将一级种子按1％的比例转接至含20mL种子培养基的50mL摇瓶中，在26-34℃，200rpm的条件下培养23h，获得二级种子；
c：将二级种子以1％的比例接种至含100mL发酵培养基的500mL中，在26-34℃，200rpm的条件下培养120h，收集菌液并提取辅酶Q10。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的种子培养基每100mL中含有：(NH4)2SO40.25g，玉米浆0.05g，酵母提取物0.14g，NaCl0.2g，葡萄糖0.3g，K2HPO40.05g，KH2PO40.05g，MgSO40.1g，FeSO40.01g，CoCl20.003g，MnSO40.0001g，CaCO30.8g，维生素B10.1μg，维生素K0.1μg，维生素A0.15μg；pH调节为7.2。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的发酵培养基每100mL中含有：(NH4)2SO40.3g，NaCl0.28g，葡萄糖4g，KH2PO40.15g，味精0.3g，MgSO40.63g，玉米浆0.4g，FeSO40.12g，CoCl20.005g，CaCO30.6g，维生素B10.1μg，维生素K0.1μg，维生素A0.15μg；pH调节为7.2。
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| CN102154182A (zh) * | 2011-03-02 | 2011-08-17 | 厦门金达威集团股份有限公司 | 一种辅酶q10生产的固料母种发酵培养的方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Production of ubiquinone in Escherichia coli by expression of various genes responsible for ubiquinone biosynthesis;Xufen Zhu et al.;《Journal of fermentation and bioengineering》;20031021;第79卷(第5期);第494页第2栏最后1段，第495页第1栏第1段，图1，图1图注 * |
| 微生物法高产辅酶Q10的研究进展;李焱生等;《生物技术通报》;20090228(第2期);第59-62页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103509816A (zh) | 2014-01-15 |
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