CN103805551A - 一株用于生产meso-2,3-丁二醇的基因工程菌及其应用 - Google Patents

一株用于生产meso-2,3-丁二醇的基因工程菌及其应用 Download PDF

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马翠卿
高超
徐友强
许平
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Abstract

本发明公开了一株用于生产meso-2,3-丁二醇的基因工程菌,该菌是含有阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae subsp.dissolvens)SDM CGMCC No.4230的2,3-丁二醇合成基因簇budRABC的大肠埃希氏菌,已于2013年12月31日保藏于“中国典型培养物保藏中心”,保藏号为:CCTCC NO:M2013733。利用本发明的工程菌以葡萄糖为底物,meso-2,3-丁二醇最高产量可达到85克/升以上,纯度大于96%,且生产过程简便,成本低,具有很好的应用价值和可观的经济效益。

Description

一株用于生产meso-2,3-丁二醇的基因工程菌及其应用
技术领域
本发明涉及一株基因工程菌及其应用,尤其涉及一株用于生产meso-2,3-丁二醇的基因工程菌及其应用。 
背景技术
2,3-丁二醇可以广泛应用于化工、食品、燃料及航天航空等多个领域(Syu M J.,Appl.Microbiol.Biotechnol.,2001,55:10-18)。2,3-丁二醇在常温下是一种无色无味透明的液体,有三种同分异构体:meso-2,3-丁二醇、(2R,3R)-2,3-丁二醇和(2S,3S)-2,3-丁二醇;其中meso-2,3-丁二醇可以和2,5-呋喃二甲酸发生酯化反应,生成的聚合物可用于服装和合成材料等领域(Gubbels et al.,J.Polym.Sci.,2012,51:890-898)。 
在2,3-丁二醇的生产菌种中,肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)和产气肠杆菌(Enterobacter aerogenes)以meso-2,3-丁二醇为主要代谢产物,但是其纯度较低(Celinska E.&Grajek W.,Biotechnol.Adv.,2009,27:715-725;Ji et al.,Biotechnol.Adv.,2011,29:351-364)。 
1997年,Ui等克隆来源于肺炎克雷伯氏菌的2,3-丁二醇合成基因簇,利用大肠杆菌工程菌生产meso-2,3-丁二醇,其产量能达到17.7克/升,生产速率0.31克/升/小时(Ui et al.,J.Ferment.Bioeng.1997,84:185-189)。之后,有研究尝试不同菌株来源的2,3-丁二醇合成基因簇以及不同的宿主,均实现了meso-2,3-丁二醇的生产(Lee et al.,Appl.Biochem.Biotechnol.2012,166:1801-1813;Li et al.,Appl.Microbiol.Biotechnol.2010,87:2001-2009;Nielsen et al.,Biotechnol.J.2010,5:274-284)。但由于受产物浓度和生产速率的限制,上述方法无法满足工业生产需求,只处于实验室研究阶段。基于此,迫切需要寻找更好的方法或生产meso-2,3-丁二醇的基因工程菌,以实现meso-2,3-丁二醇的高效生产。 
发明内容
针对上述现有技术中,meso-2,3-丁二醇的产量低,难以大规模生产的不足,本发明要解决的问题是构建一株表达来源于阴沟肠杆菌SDM的2,3-丁二醇合成基因簇的大肠杆菌,并应用该工程菌发酵葡萄糖高效生产meso-2,3-丁二醇。 
进一步的,本发明所述用于生产meso-2,3-丁二醇的基因工程菌,是含有阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae subsp.dissolvens)SDM CGMCC No.4230的2,3-丁二醇合成基因簇budRABC的大肠埃希氏菌,其中,budRABC的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示;该菌株命名为大肠埃希氏菌BL21/pET-RABC(Escherichia coli BL21/pET-RABC),菌株已于2013年12月31日保藏于“中国典型培养物保藏中心”(中国.武汉.武汉大学),保藏号为:CCTCCNO:M2013733。 
上述2,3-丁二醇合成基因簇budRABC包括lysR(编码2,3-丁二醇合成调控因子)、Pabc(2,3-丁二醇合成启动子)、budA/budB/budC(编码ALS/ALDC/BDH),序列长度为4248个碱基。 
上述用于生产meso-2,3-丁二醇的基因工程菌的制备:克隆Enterobacter cloacae subsp. dissolvens SDM来源的2,3-丁二醇合成基因簇;将获得的基因簇使用BglII/HindIII双酶切和表达载体pET28a连接,得到重组质粒pETRABC,将质粒pETRABC转化到E.coli(优选E.coli BL21)中,获得重组基因工程菌株,命名为E.coli(E.coli BL21)/pETRABC。 
上述基因工程菌大肠埃希氏菌E.coli BL21/pETRABC为革兰氏阴性菌,需氧或兼性厌氧生长,该菌的较佳培养温度为37±1℃,可以在含有50毫克/升硫酸卡那霉素的LB培养基上生长。 
本发明所述用于生产meso-2,3-丁二醇的基因工程菌在发酵底物葡萄糖生产meso-2,3-丁二醇中的应用。 
其中:上述发酵培养的方法是:在无菌条件下,取活化好的大肠埃希氏菌E.coli BL21/pETRABC菌液,以体积比为5~10%的接种量接种到发酵培养基中,在温度37±1℃,pH5.0~8.0、搅拌转速100~500rpm、通气量0.5~2.5vvm条件下培养36~72小时,其间,待检测培养基中葡萄糖的浓度降至20克/升以下时,补加800克/升的葡萄糖母液至培养基中葡萄糖的浓度为20~50克/升,当检测发酵液中meso-2,3-丁二醇的浓度不再增加时,发酵结束,分离出培养液,按常规方式提取meso-2,3-丁二醇; 
其中,上述的发酵培养基配方为:1升蒸馏水中含:酵母粉4克,玉米浆干粉8克,磷酸二氢钾4克,乙酸钠6克,氯化钾2克,硫酸镁0.2克,1M MgSO4溶液1毫升,1M CaCl2溶液0.3毫升。 
上述应用中:所述pH范围优选6.0~7.5。 
上述应用中:所述搅拌转速优选300~450rpm。 
上述应用中:所述通气量优选1.0~2.0vvm。 
上述应用中:所述大肠埃希氏菌E.coli BL21/pETRABC菌液的活化方法是: 
(1)平板培养:将基因工程菌大肠埃希氏菌E.coli BL21/pETRABC菌株划线到含有质量体积比为1.5~1.8%琼脂的并含有50毫克/升硫酸卡纳霉素的LB培养基平板上,37±1℃培养12±2小时; 
(2)种子培养:无菌条件下,用无菌的牙签挑取步骤(1)平板上的一个单菌落,然后接种到含有50克/升葡萄糖和50毫克/升硫酸卡那霉素的M9培养基中,37±1℃摇床震荡培养12±2小时,得到大肠埃希氏菌E.coli BL21/pETRABC活化菌液; 
其中,上述步骤(1)中所述的LB培养基配方为:1升蒸馏水中含:酵母粉5克,蛋白胨10克,氯化钠10克,121℃灭菌15分钟。 
上述步骤(2)中所述的M9培养基配方为:1升蒸馏水中含:Na2HPO4·12H2O12.069克,KH2PO43克,NaCl0.5克,NH4Cl0.5克,1M MgSO4溶液1毫升,1M CaCl2溶液0.3毫升,微量元素溶液(100×)10毫升,调节pH为7.5,121℃灭菌20分钟。其中,微量元素溶液(100×)配方为:1升蒸馏水中含:EDTA5克,FeCl3·6H2O0.83克,ZnCl284毫克,CuCl2·2H2O13毫克,CoCl2·2H2O10毫克,H3BO310毫克,MnCl2·4H2O1.6毫克。 
上述应用中:底物葡萄糖的检测方法是: 
样品进行设定的稀释后,采用生物传感分析仪SBA-40C(山东省科学院生物研究所)测 定。测定原理为利用固定化葡萄糖氧化酶膜专一性测定葡萄糖含量。 
上述应用中:发酵产物meso-2,3-丁二醇的检测方法是: 
每500毫升乙酸乙酯中加入0.4毫升异戊醇,作为萃取剂;利用该萃取剂,对发酵液中发酵产物样品进行等体积萃取,利用涡旋振荡器对萃取的样品震荡30秒钟,然后静置,取上层样品进行气相检测。具体的气相检测条件如下: 
所用气相色谱仪的型号为Agilent6820,氮气作为载气,进样器和检测器的温度均设为280℃,检测过程的柱温设定为:40℃保持3分钟;然后以每分钟1.5℃的速率升温到80℃;以每分钟0.5℃的速率升温到86℃;以每分钟30℃的速率升温到200℃。进样量1.5微升,进行气相检测。 
本发明成功的实现了将2,3-丁二醇合成基因簇在E.coli BL21中表达,并以此重组菌株E.coli BL21/pETRABC发酵葡萄糖高效生产meso-2,3-丁二醇,具有培养基简单,成本低,产物分离方便等特点。 
本发明具有的突出特点是: 
(1)应用表达2,3-丁二醇合成基因簇的重组菌株E.coliBL21/pETRABC发酵葡萄糖生产meso-2,3-丁二醇。 
(2)本发明方法构建的工程菌株要求的培养基简单、成本低。 
(3)本发明生产meso-2,3-丁二醇操作过程简单,产物分离方便。 
(4)本发明的重组菌能发酵葡萄糖生产meso-2,3-丁二醇,最高产量可达到85克/升以上,纯度大于96%。 
附图说明
图1载体pET-RABC图谱。 
其中:lacI:编码lac启动子的调控因子;ori:复制起始位点;Kan:编码卡那霉素抗性基因;BglII,HindIII:核酸内切酶位点;lysR:编码2,3-丁二醇合成调控因子;Pabc:2,3-丁二醇合成启动子;budA/budB/budC:编码ALS/ALDC/BDH。 
具体实施方式
下面通过实施例进一步阐明本发明,但不仅限于此。 
实施例1:基因工程菌株E.coli BL21/pETRABC的构建 
1、2,3-丁二醇合成基因簇的克隆 
采用常规的方法制备菌株Enterobacter cloacae subsp.dissolvens SDM的基因组DNA,该过程可参考科学出版社出版的《精编分子生物学指南》中细菌基因组的小量制备的方法,提取Enterobacter cloacae subsp.dissolvens SDM的基因组DNA;使用合成的引物从Enterobacter cloacae subsp.dissolvens SDM基因组DNA中PCR扩增得到2,3-丁二醇合成基因簇。 
2,3-丁二醇合成基因簇的来源菌Enterobacter cloacae subsp.dissolvens SDM(CGMCC No.4230)为申请人实验室前期筛选得到的高产2,3-丁二醇菌株,其已进行了保藏和基因组测序。 
通过PCR扩增Enterobacter cloacae subsp.dissolvens SDM来源的2,3-丁二醇合成基因 簇,引物设计如下: 
上游引物5’-CGGTAGATCTCTACTCCTCGCTTATCATCG-3’,携带一个BglII位点; 
下游引物5’-GCCTAAGCTTTTAGTTGAACACCATCCCA-3’,携带一个HindIII位点。 
上述基因簇序列长度为4248个碱基,其核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示。 
2、将PCR扩增得到的DNA片段使用BglII/HindIII双酶切,和表达载体pET28a连接,得到重组质粒pETRABC,见图1。 
3、将上述重组质粒经过转化导入宿主E.coli BL21,得到工程菌株E.coliBL21/pETRABC。 
上述得到的工程菌菌株E.coli BL21/pETRABC已于2013年12月31日保藏于中国典型培养物保藏中心(武汉大学,中国武汉),保藏中心编号为:CCTCC NO:M2013733。 
上述重组大肠埃希氏菌E.coli BL21/pETRABC CCTCC NO:M2013733为革兰氏阴性菌,需氧或兼性厌氧生长,可以用于发酵葡萄糖生产手性纯meso-2,3-丁二醇。 
上述重组大肠埃希氏菌E.coli BL21/pETRABC CCTCC NO:M2013733的较佳培养温度为37±1℃,可以在含有50毫克/升硫酸卡纳霉素的LB培养基上生长。 
实施例2:制备E.coli BL21/pETRABC CCTCC M2013733菌株的细胞液体培养物 
1、平板培养:将E.coli BL21/pETRABC CCTCC M2013733划线到含有质量体积比为1.5%琼脂的并含有50毫克/升硫酸卡那霉素的LB平板上,37℃培养12小时; 
2、种子:在无菌的条件下,用无菌的牙签挑取步骤(1)平板上的一个单菌落,然后接种到5毫升的含有50克/升葡萄糖和50毫克/升硫酸卡那霉素的M9培养基中,37℃摇床震荡培养12小时; 
3、摇瓶:在无菌条件下,取步骤(2)所培养的菌液以体积比1~3%的接种量,接种到30~150毫升含有50克/升葡萄糖和50毫克/升硫酸卡那霉素的M9培养基中,37±1℃摇床震荡培养24±1小时; 
其中,上述步骤1中所述的LB培养基配方为:1升蒸馏水中含:蛋白胨10克,酵母粉5克,氯化钠10克,121℃灭菌15分钟。上述步骤2~3中所述的M9培养基配方为:1升蒸馏水中含:Na2HPO4·12H2O12.069克,KH2PO43克,NaCl0.5克,NH4Cl0.5克,1M MgSO4溶液1毫升,1M CaCl2溶液0.3毫升,微量元素溶液(100×)10毫升。调节pH为7.5,121℃灭菌20min。其中,微量元素溶液(100×)配方为:1升蒸馏水中含:EDTA5克,FeCl3·6H2O0.83克,ZnCl284毫克,CuCl2·2H2O13毫克,CoCl2·2H2O10毫克,H3BO310毫克,MnCl2·4H2O1.6毫克。 
实施例3:重组E.coli在发酵培养基1中发酵葡萄糖生产meso-2,3-丁二醇 
将通过实施例2的方法获得的E.coli BL21/pETRABC CCTCC M2013733菌株的细胞液体培养物,以体积比为10%的接种量接种到含有50克/升葡萄糖和50毫克/升硫酸卡那霉素的发酵培养基1中,在37℃、pH6.5、300rpm、1.0vvm通气量条件下发酵。发酵中每隔4 小时取样,样品以8,000×g离心10分钟,检测上清中meso-2,3-丁二醇和葡萄糖的浓度,根据葡萄糖浓度补加800克/升葡萄糖母液,使葡萄糖浓度维持在20~50克/升;对上清进行气相色谱分析测定发酵液中meso-2,3-丁二醇的浓度,当meso-2,3-丁二醇的浓度不再增加时,停止发酵。 
其中,上述步骤中所述的发酵培养基1配方为:1升蒸馏水中含:Na2HPO4·12H2O12.069克,KH2PO43克,NaCl0.5克,NH4Cl0.5克,1M MgSO4溶液1毫升,1M CaCl2溶液0.3毫升,微量元素溶液(100×)10毫升。调节pH为7.5,121℃灭菌20分钟。其中,微量元素溶液(100×)配方为:1升蒸馏水中含:EDTA5克,FeCl3·6H2O0.83克,ZnCl284毫克,CuCl2·2H2O13毫克,CoCl2·2H2O10毫克,H3BO310毫克,MnCl2·4H2O1.6毫克。 
68小时后检测结果显示:meso-2,3-丁二醇的浓度为68.8克/升。 
实施例4:重组E.coli在发酵培养基1中发酵葡萄糖生产meso-2,3-丁二醇 
将通过实施例2的方法获得的E.coli BL21/pETRABC CCTCC M2013733菌株的细胞液体培养物,以体积比为5%的接种量接种到含有50克/升葡萄糖和50毫克/升硫酸卡那霉素的发酵培养基1中,在37℃、pH7.0、400rpm、1.5vvm通气量条件下发酵。发酵中每隔4小时取样,样品以8,000×g离心10分钟,检测上清中meso-2,3-丁二醇和葡萄糖浓度,根据葡萄糖浓度补加葡萄糖,使葡萄糖浓度维持在20~50克/升;对上清进行气相色谱分析测定发酵液中meso-2,3-丁二醇的浓度,当meso-2,3-丁二醇的浓度不再增加时,停止发酵。 
60小时后检测结果显示:meso-2,3-丁二醇的浓度为73.8克/升。 
实施例5:重组E.coli在发酵培养基2中发酵葡萄糖生产meso-2,3-丁二醇 
将通过实施例2的方法获得的E.coli BL21/pETRABC CCTCC M2013733菌株的细胞液体培养物,以体积比为10%的接种量接种到含有50克/升葡萄糖和50毫克/升硫酸卡那霉素的发酵培养基2中,在37℃、pH6.0、350rpm、2.0vvm通气量条件下发酵。发酵中每隔4小时取样,样品以8,000×g离心10分钟,检测上清中meso-2,3-丁二醇和葡萄糖的浓度,根据葡萄糖浓度补加800克/升葡萄糖母液,使葡萄糖浓度维持在20~50克/升;对上清进行气相色谱分析测定发酵液中meso-2,3-丁二醇的浓度,当meso-2,3-丁二醇的浓度不再增加时,停止发酵。 
40小时后检测结果显示:meso-2,3-丁二醇的浓度达到85.0克/升。 
上述发酵培养基2配方如下: 
酵母粉4克/升,玉米浆干粉8克/升,磷酸二氢钾4克/升,乙酸钠6克/升,氯化钾2克/升,硫酸镁0.2克/升,1M CaCl2溶液0.3毫升/升。 
实施例6:重组E.coli在发酵培养基2中发酵葡萄糖生产meso-2,3-丁二醇 
将通过实施例2的方法获得的E.coli BL21/pETRABC CCTCC M2013733菌株的细胞液 体培养物,以体积比为10%的接种量接种到含有50克/升葡萄糖和50毫克/升硫酸卡那霉素的发酵培养基2中,在37℃、pH6.5、400rpm、1.0vvm通气量条件下发酵。发酵中每隔4小时取样,样品以8,000×g离心10分钟,检测上清中meso-2,3-丁二醇和葡萄糖的浓度,根据葡萄糖浓度补加800克/升葡萄糖母液,使葡萄糖浓度维持在20~50克/升;对上清进行气相色谱分析测定发酵液中meso-2,3-丁二醇的浓度,当meso-2,3-丁二醇的浓度不再增加时,停止发酵。 
36小时后检测结果显示:meso-2,3-丁二醇的浓度达到80.5克/升。 
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Claims (6)

1.一株用于生产meso-2,3-丁二醇的基因工程菌,其特征在于:所述基因工程菌是含有阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae subsp.dissolvens)SDM CGMCC No.4230的2,3-丁二醇合成基因簇budRABC的大肠埃希氏菌,其中,budRABC的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示;该菌株命名为大肠埃希氏菌E.coli BL21/pETRABC,菌株已于2013年12月31日保藏于“中国典型培养物保藏中心”,保藏号为:CCTCC NO:M2013733。
2.权利要求1所述用于生产meso-2,3-丁二醇的基因工程菌在发酵底物葡萄糖生产meso-2,3-丁二醇中的应用。
3.如权利要求2所述的应用,其特征在于:所述发酵培养的方法是:在无菌条件下,取活化好的大肠埃希氏菌E.coli BL21/pETRABC菌液,以体积比为5~10%的接种量接种到发酵培养基中,在温度37±1℃,pH5.0~8.0、搅拌转速100~500rpm、通气量0.5~2.5vvm条件下培养36~72小时,其间,待检测培养基中葡萄糖的浓度降至20克/升以下时,补加800克/升的葡萄糖母液至培养基中葡萄糖的浓度为20~50克/升,当检测发酵液中meso-2,3-丁二醇的浓度不再增加时,发酵结束,分离出培养液,按常规方式提取meso-2,3-丁二醇;
其中,上述的发酵培养基配方为:1升蒸馏水中含:酵母粉4克,玉米浆干粉8克,磷酸二氢钾4克,乙酸钠6克,氯化钾2克,硫酸镁0.2克,1M MgSO4溶液1毫升,1MCaCl2溶液0.3毫升。
4.如权利要求3所述的应用,其特征在于:所述pH范围选6.0~7.5。
5.如权利要求3所述的应用,其特征在于:所述搅拌转速为300~450rpm。
6.如权利要求3所述的应用,其特征在于:所述通气量为1.0~2.0vvm。
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