CN104561074B - 一株高产l‑缬氨酸工程菌的构建及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一株高产L‑缬氨酸工程菌的构建及其应用。本发明提供了制备重组菌的方法,包括如下步骤:将乙酰羟酸合成酶突变体编码DNA分子、乙酰羟基酸异构还原酶编码DNA分子、支链氨基酸转氨酶编码DNA分子和二羟酸脱水酶编码DNA分子导入目的菌中,得到重组菌。本发明的实验证明了本发明利用黄色短杆菌(Brevibacterium flavum)MDV‑07发酵生产L‑缬氨酸,可以大大提高L‑缬氨酸的产率,提高转化率,极具生产应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及生物技术领域,涉及一株高产L-缬氨酸工程菌的构建及应用该菌种进行L-缬氨酸发酵生产的方法。
背景技术
L-缬氨酸(L-valine)是人体八种必需氨基酸之一,也是一种支链氨基酸,在人体及其他动物的代谢过程中有显著的功能,可应用于制药工业、食品行业及饲料行业等。
在医药领域,L-缬氨酸是复合氨基酸输液和氨基酸注射液的原料,由其配制的复合氨基酸输液在血脑屏障、肝昏迷、慢性肝硬化以及肾功能衰竭的治疗,先天性代谢缺陷病的膳食治疗,败血症及术后糖尿病患者的治疗,加快外科创伤愈合的治疗和肿瘤患者的营养支持治疗中应用广泛。近年研究发现,L-缬氨酸是一种治疗高血压特效药-缬沙坦的原料,需求量猛增。食品方面,鉴于支链氨基酸在肌肉组织中的代谢特性,常作为运动时的能量来源,并且加强运动过程中对肌肉的维护,减轻肌肉疲劳等作用,常用于保健食品及运动饮料当中。饲料工业方面,L-缬氨酸对哺乳动物乳腺组织分泌乳汁及提高动物免疫力有重要作用,同样对动物的肌肉生长也有促进作用。
L-缬氨酸的生产方法主要有提取法、化学合成法、发酵法。提取法和化学合成法由于原料来源受限制、生产成本高、收率低,污染严重,难以实现工业化生产。微生物直接发酵法是借助于微生物自身具有合成所需氨基酸的能力,生产L-缬氨酸具有原料来源广泛,成本低、反应条件温和、容易实现大规模生产等优点,是一种非常经济、高效的生产方法。短杆菌是用于生产L-氨基酸(如L-谷氨酸、L-亮氨酸和L-缬氨酸等)的主要微生物,其中黄色短杆菌或谷氨酸棒杆菌是其中的主要代表,在微生物发酵生产L-缬氨酸工业中占有非常重要的地位。
由于其用途广泛,市场上L-缬氨酸总是处于供不应求局面,带动各生产企业在L-缬氨酸产量及其生产成本等方面的良性竞争,开发新的优良菌株就显得尤为关键。传统的菌株选育主要是鉴于自然界中有产L-缬氨酸能力的菌株,结合反复诱变选育,并通过优化培养提高L-缬氨酸产率,但是该方法所能积累的氨基酸的水平有限,诱变育种的方法盲目性大,工作量繁重,遗传背景不明,很难通过进一步的诱变或改造来提高产量,所以且产率受到了极大的限制。而且诱变获得的菌株抗杂菌能力一般较弱,极易造成染菌,也不利于工业放大生产。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种制备重组菌的方法。
本发明提供的方法,包括如下步骤:将乙酰羟酸合成酶突变体编码DNA分子ilvBN*、乙酰羟基酸异构还原酶编码DNA分子ilvC、支链氨基酸转氨酶编码DNA分子ilvE和二羟酸脱水酶编码DNA分子ilvD导入目的菌中,得到重组菌。
乙酰羟酸合成酶突变体为仅将乙酰羟酸合成酶氨基酸序列第782位的甘氨酸(G)突变为谷氨酸(E),且不改变其他氨基酸残基得到的蛋白质;其与乙酰羟酸合成酶相比,仅是第782位氨基酸不同,其他氨基酸残基均相同。
所述乙酰羟酸合成酶突变体的氨基酸序列为序列表中序列5.
所述乙酰羟酸合成酶突变体编码DNA分子为将乙酰羟酸合成酶编码DNA分子核苷酸序列6第2377位的g突变为a;
所述乙酰羟酸合成酶编码DNA分子核苷酸序列为序列表中序列6。
上述方法中,所述乙酰羟酸合成酶突变体编码DNA分子、乙酰羟基酸异构还原酶编码DNA分子、支链氨基酸转氨酶编码DNA分子和二羟酸脱水酶编码DNA分子通过重组载体导入目的菌中。
上述方法中,所述重组载体pZ8-1BN*CED为将含有所述支链氨基酸转氨酶编码DNA分子和所述二羟酸脱水酶编码DNA分子的DNA片段ilvED插入中间载体pZ8-1BN*C得到的载体;具体为将序列表的序列4所示的ilvED插入上述一制备的载体pZ8-1BN*C的BamHⅠ酶切位点间得到的载体;
所述中间载体pZ8-1BN*C为将含有所述乙酰羟酸合成酶突变体编码DNA分子和所述乙酰羟基酸异构还原酶编码DNA分子的DNA片段ilvBN*C插入表达载体得到的载体;具体为将序列表的序列1自5’末端第1至3700位核苷酸所示的ilvBN*C(编码BNC蛋白)插入载体pZ8-1的BamHⅠ和EcoRⅠ双酶切位点间得到的载体。
上述方法中,所述支链氨基酸转氨酶编码DNA分子和所述二羟酸脱水酶编码DNA分子组成的融合基因的核苷酸序列为序列表中序列4,其中序列4自5’末端第16-1155位核苷酸为支链氨基酸转氨酶编码DNA分子,序列4自5’末端第1464-3302位核苷酸为二羟酸脱水酶编码DNA分子。
所述乙酰羟酸合成酶突变体编码DNA分子和所述乙酰羟基酸异构还原酶编码DNA分子组成的融合基因的核苷酸序列为序列表中序列1,其中序列1自5’末端第21-2382位核苷酸为乙酰羟酸合成酶突变体编码DNA分子,序列1自5’末端第2614-3630位核苷酸乙酰羟基酸异构还原酶编码DNA分子。
上述方法中,所述目的菌为黄色短杆菌Brevibacterium flavum。
由上述方法制备的重组菌也是本发明保护的范围。
上述重组菌为黄色短杆菌(Brevibacterium flavum)MDV-07CCTCC NO:M2014621。
上述的重组菌在制备L-缬氨酸中的应用也是本发明保护的范围。
本发明的另一个目的是提供一种制备L-缬氨酸的方法。
本发明提供的方法,包括如下步骤:发酵上述的重组菌,收集发酵产物的上清液,即得到L-缬氨酸。
上述方法中,所述发酵条件为在发酵培养基中28-33℃、200-250r/min振荡培养50-60小时;
或所述发酵条件为在发酵培养基中28-33℃、培养70-80小时,其使所述发酵过程中发酵体系中的溶氧量为30-50%,葡萄糖含量为0.8-1.0g/100mL。
黄色短杆菌(Brevibacterium flavum)MDV-07简称黄色短杆菌MDV-07,已于2014年12月4日保藏于中国典型培养物保藏中心(简称CCTCC;地址:中国武汉,武汉大学;邮编:430072),保藏编号为CCTCC NO:M 2014621,分类命名为Brevibacterium flavum MDV-07。
本发明的实验证明,本发明构建了重组工程菌黄色短杆菌(Brevibacteriumflavum)MDV-07,用其发酵生产L-缬氨酸,在30L全自动发酵罐采用该生产工艺发酵生产L-缬氨酸,可以大大提高L-缬氨酸的产率,而且大大降低L-缬氨酸发酵过程中的染菌概率,提供的黄色短杆菌工程菌可直接发酵得到L-缬氨酸,发酵70-80小时后,发酵液中的L-缬氨酸含量达85g/L-95g/L,糖酸转化率达35%-40%,极具生产应用价值。
附图说明
图1为外源表达载体pMDBN*C的结构示意图。
图2为载体pZ8-1的结构示意图。
图3为重组载体pZ8-1BN*C的结构示意图。
图4为重组载体pMDilvED的结构示意图。
图5为重组载体pZ8-1BN*CED的结构示意图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
以下的实施例便于更好地理解本发明,但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法,如无特殊说明,均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料,如无特殊说明,均为自常规生化试剂商店购买得到的。以下实施例中的定量试验,均设置三次重复实验,结果取平均值。
实施例1、高产L-缬氨酸工程菌的构建
一、重组载体pZ8-1BN*C的构建
1、pMDBN*C载体的构建
1)、根据已公布在NCBI的谷氨酸棒杆菌ATCC13032基因组信息及基因功能注释,结合L-缬氨酸的代谢途径分析,设计引物BNC-F、BNC-R,以黄色短杆菌20160基因组为模板,PCR扩增串联在基因中的ilvBN基因和ilvC基因,以及他们本身携带的核糖体结合位点序列(RBS),得到扩增产物——ilvBNC基因片段。
BNC-F:5’-GAATTC AGTAAAGGAGCCAGAAAGTCGTG-3’;
BNC-R:5’-GGATCC GTACAAAGTGCACAGCAGGTAGC-3’。
其中引物BNC-F带有EcoRⅠ酶切位点(下划线序列),引物BNC-R带有BamHⅠ酶切位点(下划线序列)。
PCR扩增条件:95℃预变性5分钟;94℃变性40秒、57℃退火1分钟、72℃延伸3分钟,30个循环;72℃10分钟,4℃保存。
2)、回收步骤1)的PCR扩增产物并插入载体Simple pMD-18T(购自于宝生物工程(大连)有限公司),得到载体pMDBNC。
3)、以步骤2)的重组载体pMDBNC为模板,用BN*C-F和BN*C-R组成的引物对进行PCR扩增(将ilvBNC串联基因片段中的ilvN进行定点突变,将定点突变后的基因命名为ilvBN*C基因),得到PCR扩增产物(模板与突变后的环状质粒的混合物)。
4)、将步骤3)的PCR扩增产物用DPNⅠ酶处理1小时(去除模板),并转化感受态细胞JM109,得到重组载体pMDBN*C(结构示意图见图1)。
根据测序结果,重组载体pMDBN*C为将序列表的序列1自5’末端第1至3700位核苷酸所示的ilvBN*C基因插入载体pMD-18T中得到的重组载体,ilvBN*C基因与野生型ilvBNC基因的差异仅在于第2381位的核苷酸由G突变为了A。
BN*C-F:5’-CGAACTGATCCAATCCGACAGATTGCACTCAAC-3’;
BN*C-R:5’-CGGATTGGATCAGTTCGCGGATTCCGAATGGT-3’
2、重组载体pZ8-1BNRC的构建
1)、用限制性内切酶BamHⅠ和EcoRⅠ双酶切pMDBN*C载体,回收约3750bp的基因片段;
2)、用限制性内切酶BamHⅠ和EcoRⅠ双酶切载体pZ8-1(Expression of theCorynebacterium glutamicum panD Gene Encoding L-Aspartate-a-DecarboxylaseLeads to Pantothenate Overproduction in Escherichia coli,APPLIED ANDENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY,Vol.65,No.4;1530–1539,1999.见图2;公众可从福建师范大学和福建省麦丹生物集团有限公司获得),回收约7000bp的载体骨架;
3)、将步骤1)的基因片段和步骤2)的载体骨架片段连接,得到重组质粒pZ8-1BN*C。
经过测序,重组质粒pZ8-1BN*C为将序列表的序列1自5’末端第1至3700位核苷酸所示的ilvBN*C基因(编码乙酰羟酸合成酶突变体和乙酰羟酸同分异构酶)插入载体pZ8-1的BamHⅠ和EcoRⅠ双酶切位点间得到的载体,其结果示意图如图3所示。
其中序列1自5’末端第21-2382位核苷酸为乙酰羟酸合成酶突变体编码DNA分子ilvBN*,序列1自5’末端第2614-3630位核苷酸乙酰羟基酸异构还原酶编码DNA分子ilvC。
二、ilvE基因和ilvD基因的扩增及融合
1、ilvD基因的扩增及纯化
1)、根据已公布在NCBI的谷氨酸棒杆菌ATCC13032基因组信息及基因功能注释,设计引物ilvD-F、ilvD-R,以黄色短杆菌20160基因组为模板,PCR扩增ilvD基因,及其自身携带启动及终止序列,得到完整基因片段扩增产物——ilvD基因片段。
ilvD-F:5’-TAGGTTCTAGGTCTGTAGTT GTACTTGGAGCGCCAAAAGGCACT-3’;
ilvD-R:5’-AGATCT GAGTCGAGGCAGAGTTCGCTGGTT-3’。
其中上游引物ilvD-F带有20bp的用于重叠延伸的融合碱基序列,酶切位点(下划线序列),下游引物ilvD-R带有BglⅡ酶切位点(下划线序列)
PCR扩增条件:95℃预变性5分钟;94℃变性40秒、59℃退火1分钟、72℃延伸3分,30个循环;72℃10分钟,4℃保存。
2)、采用PCR产物凝胶回收试剂盒(购自于上海生工)将步骤1的PCR扩增产物进行回收和纯化,得到纯化的ilvD基因片段,经过测序,其核苷酸序列为序列表中序列2。
2、ilvE基因的扩增及纯化
1)、根据已公布在NCBI的谷氨酸棒杆菌ATCC13032基因组信息及基因功能注释,设计引物ilvE-F、ilvE-R,以黄色短杆菌20160基因组为模板,PCR扩增ilvE基因,及其自身携带的SD序列,得到扩增产物——ilvE基因片段。
ilvE-F:5’-
AGATCT GAAAGGAGATATACCGTGTATCTGTCAGGTAGCAGGTGT-3’;
ilvE-R:5’-
AACTACAGACCTAGAACCTA TTAGCCAACCAGTGGGTAAAGCCAT-3’。
其中上游引物ilvE-F带有BglⅡ酶切位点,酶切位点(下划线序列),下游引物ilvE-R带有20bp的用于重叠延伸融合的碱基序列(下划线序列)
PCR扩增条件:95℃预变性5分钟;94℃变性40秒、55℃退火1分钟、72℃延伸1分30秒,30个循环;72℃10分钟,4℃保存。
2)、采用PCR产物凝胶回收试剂盒(购自于上海生工)将步骤1的PCR扩增产物进行回收和纯化,得到纯化的ilvE基因片段,经过测序,其核苷酸序列为序列表中序列3。
3、ilvE基因和ilvD基因的融合
1)、以上述获得的纯化的ilvE基因片段和ilvD基因片段互为模板和引物,进行PCR,进行十个PCR循环,PCR扩增条件:95℃预变性5分钟;94℃变性40秒、55℃退火1分钟、72℃延伸2分30秒,10个循环,72℃保存。
2)、上述反应进行了10个循环之后,再加入引物ilvE-F和引物ilvD-R继续进行PCR反应二十五循环,PCR扩增条件:95℃预变性5分钟;94℃变性40秒、55℃退火1分钟、72℃延伸4分30秒,25个循环,72℃延伸10min,4℃保存。
3)、采用PCR产物凝胶回收试剂盒(购自于上海生工)将步骤2的PCR扩增产物进行割胶回收和纯化,割取大小约为4400bp的目的条带,得到纯化的ilvED片段,经测序,其核苷酸序列为序列表中序列4。
4)、将上述纯化的ilvED片段插入载体Simple pMD-18T(购自于宝生物工程(大连)有限公司),得到载体pMDilvED(结构示意图见图4)。
三、外源表达载体pZ8-1BN*CED的构建
将上述二制备的重组载体pMDilvED进行BglⅡ酶切,并采用去磷酸化酶(购自于宝生物工程(大连)有限公司)进行末端去磷化,并采用电泳割胶纯化回收约为4400bp融合的ilvED基因的酶切片段。
另外,将pZ8-1BN*C载体进行BamHⅠ酶切,并采用去磷酸化酶(购自于宝生物工程(大连)有限公司)进行末端去磷化,并采用电泳割胶纯化回收约为11000bp的线性载体基因片段。
将上述纯化回收的ilvED和线性的pZ8-1BN*C基因片段采用T4连接酶(购自于宝生物工程(大连)有限公司),16℃连接反应过夜,并转化感受态的JM109细胞,采用质粒提取试剂盒(购自于上海生工)进行重组质粒抽提和验证(BamHⅠ酶切,得到4400bp片段为阳性),确认重组质粒pZ8-1BN*CED构建成功,外源表达载体pZ8-1BN*CED结构示意图见图5。
经过测序,重组载体pZ8-1BN*CED为将序列表的序列4所示的ilvED插入上述一制备的载体pZ8-1BN*C的BamHⅠ酶切位点间得到的载体。
其中序列4自5’末端第16-1155位核苷酸为支链氨基酸转氨酶编码DNA分子ilvE,序列4自5’末端第1464-3302位核苷酸为二羟酸脱水酶编码DNA分子ilvD。
四、高产L-缬氨酸工程菌MDV-07的构建
将外源表达载体pZ8-1BN*CED电击转化黄色短杆菌CICC 20160(购自于中国工业微生物菌种保藏管理中心,目录编号20160),采用含卡那霉素抗性(终浓度30-50μg/mL)平板进行筛选,然后用ilvE-F和ilvD-R组成的引物对进行PCR鉴定(显示约4400bp的特异条带的为PCR鉴定阳性),得到工程菌。
将工程菌命名为黄色短杆菌(Brevibacterium flavum)MDV-07。黄色短杆菌(Brevibacterium flavum)MDV-07简称黄色短杆菌MDV-07,已于2014年12月4日保藏于中国典型培养物保藏中心(简称CCTCC;地址:中国武汉,武汉大学;邮编:430072),保藏编号为CCTCC NO:M 2014621,分类命名为Brevibacterium flavum MDV-07。
采用同样的方法,将空载体pZ8-1转入黄色短杆菌20160中,得到重组菌20160/pZ8-1。
实施例2、黄色短杆菌MDV-07在生产L-缬氨酸中的应用
一、培养基的制备
种子培养基(pH=6.5-7.5):取100g葡萄糖、5g玉米浆、100g黄豆饼粉酶解液、3g酵母膏、5g(NH4)2SO4、0.2g MgSO4·7H2O、0.3g KH2PO4·3H2O、0.03g单硫酸卡那霉素和10g碳酸钙用去离子水溶解并定容至1L;
其中黄豆饼粉酶解液的制备方法为:将100g黄豆磨粉,加400mL去离子水拌匀,调pH值为6.5-7.0,加入1%终浓度中性蛋白酶(购自于上海佳和生物科技有限公司),60℃酶解3h即成黄豆饼粉酶解液。125℃灭菌25min。
发酵培养基(pH=6.5-7.5):取120g葡萄糖、20g玉米浆、50g黄豆饼粉酶解液、7g(NH4)2SO4、1.0g KH2PO4·3H2O、2g K2HPO4·3H2O、0.2g MgSO4·7H2O、0.02g FeSO4·7H2O、0.02g MnSO4·H2O、130ug维生素H、1mg维生素B1、1mg维生素B6、、0.03g单硫酸卡那霉素、20gCaCO3用去离子水溶解并定容至1L;所述黄豆饼粉酶解液的制备方法为:将100g黄豆磨粉,加400mL去离子水拌匀,调pH值为6.5-7.0,加入1%终浓度中性蛋白酶(购自于上海佳和生物科技有限公司),60℃酶解3h即成黄豆饼粉酶解液。125℃灭菌25min。
二、摇瓶发酵生产L-缬氨酸
1、应用黄色短杆菌MDV-07生产L-缬氨酸
(1)种子培养
将一环实施例1制备的黄色短杆菌MDV-07斜面种子接种至装有30mL种子培养基的250mL摇瓶中,8层纱布封口,28-33℃振荡培养(200-250r/min)至对数生长中后期(14-18小时),得到种子液(种子液的OD562nm=40-45)。
(2)发酵培养
将3mL种子液接种至装有30mL发酵培养基的250mL三角瓶中,8层纱布封口,28-33℃,振荡培养(200-250r/min)50-60小时,具体为28℃,振荡培养250r/min、60小时。
(3)将步骤(2)的发酵体系离心(4℃、5000g、15min),收集上清液(发酵液)。
2、对照液的制备
将黄色短杆菌20160代替黄色短杆菌MDV-07进行步骤1的实验,收集上清液(对照液)。
将重组菌20160/pZ8-1代替黄色短杆菌MDV-07进行步骤1的实验,收集上清液(对照液空载体)。
3、检测L-缬氨酸含量
检测发酵液、对照液和照液空载体中的L-缬氨酸含量(采用日立L-8800型氨基酸自动分析仪进行测定)。
发酵液中的L-缬氨酸浓度为22g/L(上清液),对照液中的L-缬氨酸浓度为4g/L。
对照液和对照液空载体的结果无显著差异。
三、工业发酵生产L-缬氨酸
将黄色短杆菌MDV-07(或黄色短杆菌20160或重组菌20160/pZ8-1)进行30L全自动发酵罐进行补料分批发酵,具体步骤如下:
1、第一阶段培养
采用30L发酵罐,种子培养基的装液量为15L,培养时间为14-18小时,溶氧(DO)30-50%,温度28-33℃;得到种子液(种子液的OD562nm=40-45)。
2、第二阶段培养
采用30L发酵罐,发酵培养基的装液量为15L,培养时间为70-80小时(通过控制流加75%的葡萄糖水溶液,维持发酵罐中的葡萄糖含量为0.8-1.0g/100mL),溶氧(DO)30-50%,温度28-33℃,具体为培养时间为70小时(通过控制流加75%的葡萄糖水溶液,维持发酵罐中的葡萄糖含量为0.8-1.0g/100mL,溶氧(DO)30-50%,温度28℃。
3、将步骤2的发酵体系(4℃、5000g、15min),收集上清液(发酵液)。
糖酸转化率(糖酸转化率(%)=培养过程中总的葡萄糖消耗量g÷(放罐L-缬氨酸浓度g/L×放罐体积L)×100%)
采用上述一的方法检测,结果如下:
黄色短杆菌MDV-07发酵液中的L-缬氨酸浓度为92.5g/L,糖酸转化率达38.4%;黄色短杆菌20160发酵液中的L-缬氨酸浓度为10g/L,糖酸转化率为13%。
对照液和对照液空载体的结果无显著差异。
Claims (4)
1.一种重组菌,按照如下方法制备:将乙酰羟酸合成酶突变体编码DNA分子、乙酰羟基酸异构还原酶编码DNA分子、支链氨基酸转氨酶编码DNA分子和二羟酸脱水酶编码DNA分子导入目的菌中,得到重组菌;
所述乙酰羟酸合成酶突变体为仅将乙酰羟酸合成酶氨基酸序列第782位的甘氨酸突变为谷氨酸,且不改变其他氨基酸残基得到的蛋白质;
所述乙酰羟酸合成酶的氨基酸序列为序列表中序列5;
所述目的菌为黄色短杆菌Brevibacterium flavum;
所述乙酰羟酸合成酶突变体编码DNA分子、乙酰羟基酸异构还原酶编码DNA分子、支链氨基酸转氨酶编码DNA分子和二羟酸脱水酶编码DNA分子通过重组载体导入目的菌中;
所述重组载体为将含有所述支链氨基酸转氨酶编码DNA分子和所述二羟酸脱水酶编码DNA分子的DNA片段插入中间载体得到的载体;
所述中间载体为将含有所述乙酰羟酸合成酶突变体编码DNA分子和所述乙酰羟基酸异构还原酶编码DNA分子的DNA片段插入表达载体得到的载体;
所述含有所述支链氨基酸转氨酶编码DNA分子和所述二羟酸脱水酶编码DNA分子的DNA片段的核苷酸序列为序列表中序列4;
所述含有所述乙酰羟酸合成酶突变体编码DNA分子和所述乙酰羟基酸异构还原酶编码DNA分子的DNA片段的核苷酸序列为序列表中序列1;
所述中间载体为载体pZ8-1。
2.根据权利要求1所述的重组菌,其特征在于:所述重组菌为黄色短杆菌(Brevibacterium flavum)MDV-07CCTCC NO:M 2014621。
3.权利要求1或2所述的重组菌在制备L-缬氨酸中的应用。
4.一种制备L-缬氨酸的方法,包括如下步骤:发酵权利要求1或2所述的重组菌,收集发酵产物的上清液,即得到L-缬氨酸。
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