CN104593310A - 一种生产meso-2,3-丁二醇的专用地衣芽孢杆菌工程菌及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一株生产meso-2,3-丁二醇的专用地衣芽孢杆菌工程菌,该菌株命名为地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)10-1-A/△gdh,菌株已于2014年11月10日保藏于中国典型培养物保藏中心,保藏号为:CCTCC M 2014559。本发明还公开了所述工程菌在制备meso-2,3-丁二醇中的应用。实验证实,利用本发明给出工程菌发酵生产获得的meso-2,3-丁二醇最高浓度可达88.14克/升,生产强度可达1.63克/升/小时,纯度大于99%,有望实现meso-2,3-丁二醇工业化高效生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种生产meso-2,3-丁二醇的专用地衣芽孢杆菌工程菌及其应用。
背景技术
2,3-丁二醇广泛应用于化工、食品、燃料及航天航空等多个领域(Appl Microbiol Biotechnol,2001,55(1):10-18)。因其热值较高(27,200kJ/kg),同乙醇(29,100kJ/kg)相当,可用作燃料添加剂;可代替1,4-丁二醇,用于聚酯和聚亚安酯的合成。2,3-丁二醇存在meso-,(2R,3R)-,(2S,3S)-三种构型;其中meso-2,3-丁二醇可与呋喃-2,5-二甲酸二甲酯聚合生产新型聚合物(J.Polym.Sci.2013,51,890–898;Prog.Org.Coat.2014,77:277-284),该聚合物具有较好的热稳定性,可用于生产热灌装瓶,同时还可用作溶剂型或粉末型涂料,具有广阔的应用前景。
目前已报道的2,3-丁二醇发酵菌株所产2,3-丁二醇多为两种或三种立体异构体的混合物(Biotechnol Adv.2011,29:351-64),例如肺炎克雷伯氏菌,产酸克雷伯氏菌、粘质沙雷氏菌所产2,3-丁二醇主要为meso-2,3-丁二醇,还有少量(2S,3S)-2,3-丁二醇;地衣芽孢杆菌等所产2,3-丁二醇为meso-2,3-丁二醇与(2R,3R)-2,3-丁二醇的混合物(Biotechnol Biofuels.2013,6:123)。
利用来源于肺炎克雷伯氏菌的2,3-丁二醇合成基因簇构建的大肠杆菌工程菌生产meso-2,3-丁二醇,其产量能达到为17.7克/升,生产速率0.31克/升/小时(J.Ferment.Bioeng.1997,84:185-189),产物浓度较低;利用其他菌株来源的2,3-丁二醇合成基因簇,也实现了meso-2,3-丁二醇的生产(Appl.Biochem.Biotechnol.2012,166:1801-1813;Appl.Microbiol.Biotechnol.2010,87:2001-2009;Biotechnol.J.2010,5:274-284),如利用阴沟肠杆菌2,3-丁二醇合成基因簇构建的大肠杆菌工程菌,meso-2,3-丁二醇的最高产量为73.8g/L,纯度为96%(Metab Eng.2014,23:22-33),难以满足聚合的要求。基于此,迫切需要寻找生产高纯度meso-2,3-丁二醇的菌株,以实现meso-2,3-丁二醇的高效生产。经检索,利用专用地衣芽孢杆菌工程菌生产meso-2,3-丁二醇的文献或专利还未见报道。
发明内容
针对现有meso-2,3-丁二醇生产方法中的技术难点及存在问题,本发明的目的是提供一种生产meso-2,3-丁二醇的专用地衣芽孢杆菌工程菌及其应用。
本发明所述生产meso-2,3-丁二醇的专用地衣芽孢杆菌工程菌,其特征在于:该菌株命名为地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)10-1-A/△gdh,菌株已于2014年11月10日保藏于中国典型培养物保藏中心(简称CCTCC,中国.武汉.武汉大学),保藏号为:CCTCC NO:M2014559。
上述生产meso-2,3-丁二醇的专用地衣芽孢杆菌是敲除地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)10-1-A甘油脱氢酶gdh基因的工程菌株,其中,所述地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)10-1-A申请人已于2011年11月14日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(简称CGMCC,北京市朝阳区北辰西路1号院3号),保藏号为:CGMCCNO.5461。所述甘油脱氢酶gdh基因的核苷酸序列见GenBank:KF250430。
上述地衣芽孢杆菌CCTCC NO:M 2014559菌株形态为棒杆状,长1.5μm~3.0μm,直径0.6μm~0.7μm,菌落颜色为红色或白色,产芽孢,VP反应呈阳性,可利用葡萄糖、蔗糖、果糖产酸,可水解酪蛋白、明胶、吐温80,可利用柠檬酸盐,可在含100g/L NaCl的培养基中生长,可在42~60℃条件下生长。
上述地衣芽孢杆菌CCTCC NO:M 2014559菌株的16S rDNA序列与其他已知不同种的地衣芽孢杆菌的16S rDNA序列有99%以上的相似性。
上述地衣芽孢杆菌CCTCC NO:M 2014559菌株可以在高糖(糖150克/升)LB培养基中生长。
本发明所述生产meso-2,3-丁二醇的专用地衣芽孢杆菌工程菌的构建方法。
以地衣芽孢杆菌10-1-A基因组为模板,PCR获得包含gdh基因上下游同源序列的重组片段,连接至pKVM1后经双亲杂交转入地衣芽孢杆菌10-1-A,经抗性筛选单交换转化子;温度诱导发生双交换后,PCR筛选获得gdh基因成功敲除菌株。
本发明所述生产meso-2,3-丁二醇的专用地衣芽孢杆菌工程菌在制备meso-2,3-丁二醇中的应用。
其中:所述工程菌株生产meso-2,3-丁二醇的方法是:以50±1℃、搅拌培养18~60小时为发酵条件,以葡萄糖为底物发酵上述地衣芽孢杆菌CCTCC NO:M 2014559,由发酵液得到meso-2,3-丁二醇。
上述发酵条件具体为:培养温度为50±1℃,培养方式为搅拌培养,搅拌转速为200~500转/分钟,旋转半径为33±1毫米,通气量为0.5vvm~1.0vvm,培养时间为18~60小时,发酵培养基组成为:葡萄糖50~80克/升,酵母粉12克/升,无水乙酸钠6.5克/升,柠檬酸铵1克/升,磷酸氢二钾2克/升,七水硫酸镁0.25克/升,金属离子母液10毫升/升,余量为水;pH为6~7。
其中,上述金属离子母液配方是:硫酸亚铁2.25克/升,硫酸锌0.75克/升,硫酸锰0.38克/升。
上述应用中,底物葡萄糖的检测方法是:样品进行合适的稀释后,采用生物传感分析仪SBA-40D(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0.7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,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Agilent 6820,氮气作为载气,进样器和检测器的温度均设为280℃;毛细管柱为SupelcoBeta-DexTM120(内径0.25毫米,长度30米);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1.0微升,进行气相检测。
本发明的特点和突出效果是:
(1)本发明提供的地衣芽孢杆菌CCTCC NO:M 2014559是高产meso-2,3-丁二醇的生物安全菌株,所产meso-2,3-丁二醇纯度99.37%;
(2)利用本发明提供的工程菌株以葡萄糖为底物,在本发明给出发酵条件下获得的meso-2,3-丁二醇最高浓度可达88.14克/升,生产强度可达1.63克/升/小时;
(3)本发明提供的生产meso-2,3-丁二醇的方法充分利用高温发酵过程的优势,污染杂菌的机率小,同时实现了产量高,生产强度大的目标。
附图说明
本发明所述生产meso-2,3-丁二醇的专用地衣芽孢杆菌工程菌菌株命名为地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)10-1-A/△gdh,该菌株已于2014年11月10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:CCTCC NO:M 2014559。
本发明所述地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)10-1-A已于2011年11月14日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(北京市朝阳区北辰西路1号院3号),保藏号为:CGMCC NO.5461。
图1地衣芽孢杆菌CCTCC NO:M 2014559发酵生产meso-2,3-丁二醇过程曲线。
其中:●,葡萄糖;■,生物量;◆,meso-2,3-丁二醇;▼,乙偶姻。
图2地衣芽孢杆菌CCTCC NO:M 2014559发酵产物的气相色谱图。
其中:A:标准品气相色谱图,B:发酵产物的气相色谱图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的实质作进一步阐述,但本发明所保护的内容不仅限于此。
实施例1:构建生产meso-2,3-丁二醇的工程菌——地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)10-1-A/△gdh
出发菌株选地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)10-1-A,该菌申请人已于2011年11月14日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,保藏号为:CGMCC NO.5461。
采用常规的方法制备B.licheniformis 10-1-A的基因组DNA,该过程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,提取地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)10-1-A的基因组DNA;使用合成的引物Kgdh1-f和Kgdh1-r从地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)10-1-A基因组DNA中PCR扩增得到甘油脱氢酶基因gdh(GenBank:KF250430)的前段。使用合成的引物Kgdh2-f和Kgdh2-r从地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)10-1-A基因组中PCR扩增得到甘油脱氢酶基因的后段,分别利用BglII和EcoRI以及EcoRI和BamHI酶切与经过BglII和BamHI进行双酶切的pKVM1质粒进行连接重组转化,使重组后的基因缺失中间部分。
其中,扩增重组引物设计如下:
Kgdh1-f:5’-ATTTAGATCTAACAAGCCGCGTCATTCAAG携带一个BglII位点
Kgdh1-r:5’-CGTTCCAAAATGAATTCATCGCAAA携带一个EcoRI位点
Kgdh2-f:5’-AAAGAATTCTGTCGAAGAAGAATGGCG携带一个EcoRI位点
Kgdh2-r:5’-GGAGTACCGTGGATCCGCTTTAAG携带一个BamHI位点。
1)接种携带敲除质粒的大肠杆菌S17-1λpir以及地衣芽孢杆菌10-1-A,在37℃下培养菌株至OD600=1.2。将4~7毫升大肠杆菌菌液与1毫升地衣芽孢杆菌在6000转/分钟离心5分钟,用50毫摩尔pH 7.5的磷酸盐缓冲液洗两遍,将其混合后重悬并离心,然后用LB培养基重悬并滴在LB平板上,在30℃过夜培养。用30℃预热的LB液体培养基收集细胞后,稀释10-4和10-5涂布于添加红霉素和多粘菌素B的LB固体平板,30℃培养48~72小时。
2)挑转化子至加红霉素抗性LB培养基,37℃培养6~12小时,然后用LB培养基洗一遍后转接至新鲜LB培养基中42℃培养6~12小时,然后系列稀释至红霉素LB平板,42℃过夜培养,挑转化子42℃培养,挑取生长的单菌落,利用上下游引物进行PCR验证,得到可同时PCR出长片段和短片段的正确单交换目的菌。
3)挑转化子至LB培养基,30℃无抗性培养并转接两代,稀释10-5和10-6涂平板至LB,37℃培养12小时后,挑白色转化子50℃培养并进行分子验证,利用上下游引物进行PCR验证,双交换的目的菌,能PCR出短片段(构建的上下游同源臂),挑选正确的双交换菌,进行表型验证,得到正确的敲除地衣芽孢杆菌10-1-A甘油脱氢酶gdh基因的工程菌株,该菌株命名为地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)10-1-A/△gdh;,菌株已于2014年11月10日保藏于中国典型培养物保藏中心(简称CCTCC,中国.武汉.武汉大学),保藏号为:CCTCCNO:M 2014559。
其中,上述步骤中所述的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。
实施例2:制备地衣芽孢杆菌CCTCC NO:M 2014559菌株的细胞液体培养物
1、平板培养:将实施例1中所得B.licheniformis 10-1-A/△gdh划线到含有质量体积比为1.5%琼脂的LB平板上,50℃培养12小时;
2、种子培养: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LB培养基中,50℃摇床震荡培养12小时;
3、摇瓶培养: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60克/升葡萄糖种子培养基中,50±1℃摇床震荡培养11~13小时;即制得地衣芽孢杆菌CCTCC NO:M 2014559菌株的细胞液体培养物。
其中,上述种子培养基配方是:葡萄糖50~70克/升,酵母粉8克/升,无水乙酸钠6.5克/升,柠檬酸铵1克/升,磷酸氢二钾2克/升,七水硫酸镁0.25克/升,金属离子母液10毫升/升,余量为水;pH为6~7。
其中,上述金属离子母液配方是:硫酸亚铁2.25克/升,硫酸锌0.75克/升,硫酸锰0.38克/升。
实施例3:利用地衣芽孢杆菌CCTCC NO:M 2014559菌株以发酵培养基在5L发酵罐中发酵生产meso-2,3-丁二醇
将通过实施例2获得的地衣芽孢杆菌CCTCC NO:M 2014559菌株的细胞液体培养物以体积百分比10%的接种量接种在装有已经灭菌的4升发酵培养基的5升发酵罐中,在50℃条件下,发酵罐搅拌转速500转/分钟,通气量为0.5vvm~1.0vvm,发酵60小时。
发酵中每隔3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葡萄糖干粉,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。
54小时后检测结果显示:meso-2,3-丁二醇的浓度达到88.14克/升。
上述发酵培养基组成为:葡萄糖50~80克/升,酵母粉12克/升,无水乙酸钠6.5克/升,柠檬酸铵1克/升,磷酸氢二钾2克/升,七水硫酸镁0.25克/升,金属离子母液10毫升/升,余量为水;pH为6~7。
其中,上述金属离子母液配方是:硫酸亚铁2.25克/升,硫酸锌0.75克/升,硫酸锰0.38克/升。
Claims (3)
1.一株生产meso-2,3-丁二醇的专用地衣芽孢杆菌工程菌,其特征在于:该菌株命名为地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)10-1-A/△gdh,菌株已于2014年11月10日保藏于中国典型培养物保藏中心,保藏号为:CCTCC NO:M 2014559。
2.权利要求1所述生产meso-2,3-丁二醇的专用地衣芽孢杆菌工程菌在制备meso-2,3-丁二醇中的应用。
3.根据权利要求2所述的应用,其特征在于:所述生产meso-2,3-丁二醇的专用地衣芽孢杆菌工程菌的发酵条件为:培养温度为50±1℃,培养方式为搅拌培养,搅拌转速为200~500转/分钟,旋转半径为33±1毫米,通气量为0.5vvm~1.0vvm,培养时间为18~60小时,发酵培养基组成为:葡萄糖50~80克/升,酵母粉12克/升,无水乙酸钠6.5克/升,柠檬酸铵1克/升,磷酸氢二钾2克/升,七水硫酸镁0.25克/升,金属离子母液10毫升/升,余量为水;pH为6~7;其中,所述金属离子母液配方是:硫酸亚铁2.25克/升,硫酸锌0.75克/升,硫酸锰0.38克/升。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150506 |