CN103729576A - 刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型及构建方法及应用 - Google Patents

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本发明公开了一种刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型及构建方法及应用，构建方法包括如下步骤：根据KEGG及NCBI数据库中刺糖多孢菌基因组序列的注释信息，添加多杀菌素生物合成的特征反应和菌体合成反应，并对网络反应进行手动精炼，获得刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型。本发明利用刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型，预测潜在基因靶点对多杀菌素产量提高的影响，最终确定改造方向，实现菌株的途径分子改造方法。实验证明，利用本发明的刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型预测的基因，经改造得到的基因工程菌能使多杀菌素产量比野生型菌株提高了86.5%。为以后多杀菌素高效生产合成菌株的构建、研究和分析提供了指导平台。

Description

刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型及构建方法及应用
技术领域
本发明属于微生物菌株代谢工程分子改造技术领域，特别涉及刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型及构建方法及应用。 
技术背景
多杀菌素是一种大环内酯类抗生素，由刺糖多孢菌经有氧发酵产生。由于多杀菌素独特的化学结构和作用机制，它可以有效防治小菜蛾、甜菜夜蛾等多种鳞翅目害虫，同时对哺乳动物、鸟类等没有毒性(ACS symposium series.Discovery,isolation,and structure elucidation of a family of structurally unique,fermentation-derived tetracyclic macrolides.1992)。多杀菌素也因此被认为是继阿维菌素之后最为有效的生物杀虫剂，成为新型生物农药研发的热点。由于该化合物兼具化学农药的速效性和生物农药的安全性、低残留等优点，继1999获得美国“总统绿色化学品挑战奖”后，2008年其衍生物再一次获得该奖(The Journal of antibiotics.The spinosyn family of insecticides:realizing the potential of natural products research.2010)。 
由于野生型菌刺糖多孢菌菌株产多杀菌素能力弱，因此自其被发现以来，科学家采取多种手段对原始菌株进行改良。目前，研究人员对多杀菌素发酵单位提高所做的努力主要集中在传统的理化性质诱变，利用基因工程手段对多杀菌素合成途径基因进行局部敲除或过表达改造。多杀菌素作为刺糖多孢菌的一种次级代谢物，其合成途径复杂，局部水平的改造具有一定的盲目性，而且其改造结果也难以满足生产需求。 
近几年内，随着高通量测序技术的发展，测序成本的降低，越来越多的物种全基因组被测序。如何利用如此庞大的基因组数据成为人们的研究热点。基因组尺度网络模型，以基因组注释信息为基础，提供了一个在整体水平上考察细胞代谢的理想视角(Current opinion in biotechnology.Recent advances in reconstruction and applications of genome-scale metabolic models.2011)。基因组尺度网络模型可以从整体上反应系统对外界扰动的反应，揭示与该扰动相关的机理，确定不同表型的潜在原因，是系统生物学研究的重要工具。鲁棒性分析作为一种分析方法，它能反映目标反应对某特定反应的敏感性。 
胞内还原力水平对次级代谢物合成具有重要影响，NADPH的再生水平是限制生物转化效率关键因素，目前，增加胞内NADPH水平主要通过以下三条途：磷酸戊糖途径；三羧酸循环途径；转氢酶途径。对转氢酶的改造，可以调节胞内辅因子的平衡，提高目标产物的产量。在大肠中过表达pntAB，可以使苯乙酮到(R)-苯基乙醇l的转化效率提高3.5倍(Biotechnology letters.Improved synthesis of chiral alcohols with Escherichia coli  cells co-expressing pyridine nucleotide transhydrogenase,NADP+-dependent alcohol dehydrogenase and NAD+-dependent formate dehydrogenase.2004)在谷氨酸棒状杆菌中过表达PntAB可以显著提高L-l赖氨酸的产量(Applied microbiology and biotechnology.Expression of the Escherichia coli pntAB genes encoding a membrane-bound transhydrogenase in Corynebacterium glutamicum improves L-lysine formation.2007).Bastian(Metabolic engineering.Engineered ketol-acid reductoisomerase and alcohol dehydrogenase enable anaerobic2-methylpropan-1-ol production at theoretical yield in Escherichia coli.2011)在异丙醇生产过程中通过过表达PntAB解决了辅因子不平衡问题，使异丙醇的产量提高了6.5倍。 
然而截至目前为止，未见有人报道在刺糖多孢菌中通过改造转氢酶途径实现多杀菌素的高效生产。 
发明内容
本发明的目的提供一种刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型。 
本发明的第二个目的是提供一种刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型的构建方法。 
本发明的第三个目的是提供一种刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型的应用。 
一种刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型的构建方法，包括如下步骤： 
根据KEGG及NCBI数据库中刺糖多孢菌基因组序列的注释信息，添加多杀菌素生物合成的特征反应和菌体合成反应，并对网络反应进行手动精炼，获得刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型。 
上述方法构建的刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型。 
一种刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型在预测与提高多杀菌素产量相关基因靶点的应用。 
上述应用，包括如下步骤： 
1）通过对刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型进行分析，利用鲁棒性分析方法，确定SEQ IDNO.3所示的转氢酶PntAB对多杀菌素生物合成的影响； 
2）根据NCBI上的转氢酶基因序列设计SEQ IDNO.1所示的上游引物和SEQ IDNO.2所示的下游引物,以刺糖多孢菌基因组为模板,PCR扩增转氢酶PntAB基因，利用XbaI和NdeI双酶切，将转氢酶PntAB基因插入到经相同酶切含链霉菌强启动子ermE*质粒pOJ260上，得到质粒pOJ261（图2），转化大肠杆菌DH5а，提取质粒后转入大肠杆菌ET12567（ATCC货号：BAA-525），利用结合转移的方法转入刺糖多孢菌（Saccharopolyspora spinosa）ATCC49460中，以50μg/mL的安普霉素筛选得到刺糖多孢菌基因工程菌SP-PNT。 
含链霉菌强启动子ermE*质粒pOJ260的构建步骤为：将pIB139质粒用HindIII and XbaI双酶切，插入质粒pOJ260中，获得含链霉菌强启动子ermE*质粒pOJ260； 
其中pIB139质粒由pSET152(商业化)中插入ermE*强启动子构成，其构建过程参考文献（Journal of molecular microbiology and biotechnology.Increasing the efficiency  of heterologous promoters in actinomycetes.2002） 
3）将刺糖多孢基因工程菌SP-PNT在发酵培养基中进行发酵，产量比野生型提高，证明转氢酶pntAB基因对多杀菌素生物合成有影响； 
所述发酵培养基配方为：葡萄糖77g/L，棉籽饼粉28g/L，胨化牛奶20g/L，玉米浆膏14.5g/L，油酸甲酯40g/L，CaCO35g/L，鼠李糖1g/L，余量为水，pH=7.0。 
本发明的优点： 
本发明利用刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型，预测潜在基因靶点对多杀菌素产量提高的影响，最终确定改造方向，实现菌株的途径分子改造方法。实验证明，利用本发明的刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型预测的基因，经改造得到的基因工程菌能使多杀菌素产量比野生型菌株提高了86.5%。为以后多杀菌素高效生产合成菌株的构建、研究和分析提供了指导平台。 
附图说明
图1为转氢酶活性对多杀菌素合成速率的影响。 
图2为转氢酶扩增质粒构建。 
图3为转氢酶扩增质粒验证。 
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步说明。 
实施例1 
一种刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型的构建方法，包括如下步骤： 
根据KEGG，NCBI数据库中的刺糖多孢菌基因组序列的注释信息，添加多杀菌素生物合成的特征反应（见表1）和菌体合成反应（见表2）： 
表1多杀菌素生物合成反应 
Figure BDA0000451044740000031
Figure BDA0000451044740000041
表2菌体合成反应 
Figure BDA0000451044740000042
Figure BDA0000451044740000051
并对网络反应进行手动精炼（剔除冗余反应、加入反应辅因子、调节反应可逆方向、反应配平、加入运输反应、加入交换反应、分析填补空缺），手动精炼详见（Nature protocols.A protocol for generating a high-quality genome-scale metabolic reconstruction.2010.）获得刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型，该模型为刺糖多孢菌第一个全基因组代谢网络模型。 
该网络经过人工精炼，最后得到的刺糖多胞菌基因组尺度代谢网络模型包括1577个反应，1736个代谢物，733种酶，包含糖酵解途径、磷酸戊糖途径、三羧酸循环，丙酮酸代谢，乙醛酸循环代谢，氨基酸合成与消耗代谢，核苷酸代谢，脂类代谢，肽聚糖合成，辅酶合成等相关反应。将部分反应列举见表3。 
表3最终得到的部分反应列表 
Figure BDA0000451044740000061
反应众多不一一列举。 
实施例2 
将实施例1构建的刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型转化为计算机可识别的数学系数矩阵，利用Matlab软件平台，借助COBRA工具箱中的鲁棒性分析工具，以转氢酶PntAB催化反应为控制反应，以多杀菌素合成反应为目标反应，确定转氢酶PntAB基因活性对多杀菌素合成速率的影响，模拟结果如图1. 
实施例3 
对实施例2确定的转氢酶基因pntAB进行分子扩增，根据NCBI上的转氢酶基因序列设计引物（下划线代表酶切位点）: 
上游引物pntAB-F:CCTATCTAGACGCCGGAACAAGGACG（SEQ IDNO.1所示） 
下游引物pntAB-R:GGATCCATATGACCTCTCCGGAGAGC（SEQ IDNO.2所示） 
利用这一对引物，以刺糖多孢菌基因组为模板,通过PCR技术扩增转氢酶PntAB基因，利用XbaI和NdeI双酶切将转氢酶pntAB基因插入到经相同酶切含链霉菌强启动子ermE*质粒pOJ260上，得到质粒pOJ261（见图2），转化大肠杆菌DH5а，提取质粒后转入大肠杆菌ET12567(ATCC货号：BAA-525)，利用结合转移的方法转入刺糖多孢菌（Saccharopolyspora spinosa ATCC49460）中，以50μg/mL的安普霉素筛选结合转移菌株，得到刺糖多孢基因工程菌SP-PNT，构建基因工程菌所用质粒酶切验证结果见图3。 
含链霉菌强启动子ermE质粒pOJ260的构建步骤为：将pIB139质粒用HindIII and XbaI双酶切，插入质粒pOJ260中，获得含链霉菌强启动子ermE*质粒pOJ260 
其中pIB139质粒由pSET152(商业化)中插入ermE*强启动子构成，其构建过程参考文献（Journal of molecular microbiology and biotechnology.Increasing the efficiency of heterologous promoters in actinomycetes.2002） 
实施例4 
将实施例3得到的刺糖多孢基因工程菌SP-PNT进行摇瓶发酵，摇瓶中装有发酵培养基，29℃、220rpm培养9天；产量比野生型提高86.5%。，证明转氢酶pntAB基因对多杀菌素生物合成有影响； 
所述发酵培养基配方为：葡萄糖77g/L，棉籽饼粉28g/L，胨化牛奶20g/L，玉米浆膏14.5g/L，油酸甲酯40g/L，CaCO35g/L，鼠李糖1g/L，余量为水，pH=7.0。 
验证了刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型对基因进行预测的准确性。 
Figure IDA0000451044820000011
Figure IDA0000451044820000021
Figure IDA0000451044820000031
Figure IDA0000451044820000041

Claims (4)

1.一种刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型的构建方法，其特征包括如下步骤：
根据KEGG及NCBI数据库中刺糖多孢菌基因组序列的注释信息，添加多杀菌素生物合成的特征反应和菌体合成反应，并对网络反应进行手动精炼，获得刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型。
2.权利要求1的方法构建的刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型。
3.一种刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型在预测与提高多杀菌素产量相关基因靶点的应用。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征是包括如下步骤：
1）通过对刺糖多孢菌基因组尺度代谢网络模型进行分析，利用鲁棒性分析方法，确定SEQ IDNO.3所示的转氢酶PntAB对多杀菌素生物合成的影响；
2）根据NCBI上的转氢酶基因序列设计SEQ IDNO.1所示的上游引物和SEQ IDNO.2所示的下游引物,以刺糖多孢菌基因组为模板,PCR扩增转氢酶pntAB基因，利用XbaI和NdeI双酶切，将转氢酶pntAB基因插入到经相同酶切含链霉菌强启动子ermE*质粒pOJ260上，得到质粒pOJ261，转化大肠杆菌DH5а，提取质粒后转入大肠杆菌ET12567，利用结合转移的方法转入刺糖多孢菌（Saccharopolyspora spinosa）ATCC49460中，以50μg/mL的安普霉素筛选得到刺糖多孢菌基因工程菌SP-PNT；
含链霉菌强启动子ermE*质粒pOJ260的构建步骤为：将pIB139质粒用HindIII and XbaI双酶切，插入质粒pOJ260中，获得含链霉菌强启动子ermE*质粒pOJ260；
表达载体pIB139，构建方法参考J MolMicrobiol Biotechnol4(4):417-426，由pSET152中插入ermE*强启动子构成。
3）将刺糖多孢基因工程菌SP-PNT在发酵培养基中进行发酵，产量比野生型提高，证明转氢酶pntAB基因对多杀菌素生物合成有影响；
所述发酵培养基配方为：葡萄糖77g/L，棉籽饼粉28g/L，胨化牛奶20g/L，玉米浆膏14.5g/L，油酸甲酯40g/L，CaCO35g/L，鼠李糖1g/L，余量为水，pH=7.0。
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