CN104830745B - 一种生产γ-氨基丁酸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效生产γ‑氨基丁酸的方法,属于发酵工程领域。本发明将一种双精氨酸信号肽基因(torA)和谷氨酸脱羧酶基因(gadB)融合,并转化大肠杆菌宿主(Escherichia coli BL21(DE3))得到可以分泌表达谷氨酸脱羧酶的重组菌pET20b(+)‑torA‑gadB/E.coli BL21(DE3)。该菌的胞外谷氨酸脱羧酶酶活,在摇瓶水平可达5.11U/mL,在3L发酵罐水平可达15.82U/mL。利用该体系,以一水和谷氨酸钠为底物γ‑氨基丁酸产量可达203.7g/L。

Description

一种生产γ-氨基丁酸的方法
技术领域
本发明涉及一种生产γ-氨基丁酸的方法,尤其是利用一株分泌表达谷氨酸脱羧酶的基因工程菌生产γ-氨基丁酸的方法,属于发酵工程领域。
背景技术
γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,简称GABA),又称4-氨基丁酸、氨酪酸,是一种在自然界中广泛存在并具有重要的生理功能的非蛋白类氨基酸。在人体中GABA是中枢神经系统中三大抑制性神经递质之一,具有缓解焦虑、降低血压、安眠镇定等生理功效,因此在医疗保健方面应用广泛。发酵法生产GABA主要是利用微生物自身的谷氨酸脱羧酶(glutamate decarboxylase,GAD,EC 4.1.1.15),催化谷氨酸或谷氨酸钠发生脱羧反应生成γ-氨基丁酸。
为实现γ-氨基丁酸的合成,需要添加一水合谷氨酸钠作为底物。谷氨酸脱羧酶是一种胞内酶,在大肠杆菌胞内中过表达谷氨酸脱羧酶来生产γ-氨基丁酸时,由于细胞膜壁对底物和酶的分隔,导致γ-氨基丁酸产量及生产效率的降低。此外,胞内表达的谷氨酸脱羧酶在大批量分离纯化方面也有诸多困难。因此,实现谷氨酸脱羧酶的胞外表达将有利于提升γ-氨基丁酸生产效率以及谷氨酸脱羧酶的获得。
在细菌中,大多数分泌蛋白都是通过Sec系统以未折叠的形式被转运到周质空间中,再在周质空间中进行折叠。而谷氨酸脱羧酶是一个同源六聚体蛋白,实验室此前研究显示,Sec系统信号肽PelB不能在胞外分泌有活性的谷氨酸脱羧酶,可能是由于在周质空间中的正确折叠难以有效进行。
除了Sec系统,还有少量蛋白通过双精氨酸系统转送到胞外。双精氨酸系统转运胞内已经折叠好的蛋白,以此,对于不能在细胞质以外的环境中正确折叠的蛋白,双精氨酸信号肽是一个良好的选择。该系统包括具有转运蛋白能力的转运通道复合体TatA和能够特异性识别的双精氨酸信号肽的信号识别复合体TatBC。
本发明用双精氨酸信号肽TorA对E.coli w3110来源的谷氨酸脱羧酶(GadB)在E.coli BL21(DE3)进行分泌表达。并在发酵罐水平进行了GABA的生产,6h内GABA产量可达203g/L。此外,谷氨酸脱羧酶的胞外表达对降低其分离纯化的成本将产生积极的作用。
发明内容
本发明提供了首先提供了一种分泌表达谷氨酸脱羧酶的大肠杆菌基因工程菌,所述基因工程菌是以双精氨酸信号肽TorA分泌谷氨酸脱羧酶。
编码所述双精氨酸信号肽TorA的基因来自大肠杆菌基因组。
编码所述谷氨酸脱羧酶的基因来自大肠杆菌基因组。
本发明还提供一种构建所述大肠杆菌基因工程菌的方法,是以大肠杆菌E.coliw3110基因组DNA作模板,PCR获得信号肽torA基因和谷氨酸脱羧酶的基因gadB;用限制性内切酶分别消化处理torA基因和gadB基因的PCR产物,酶切产物纯化后,连接载体并转化E.coli BL21(DE3),获得分泌表达谷氨酸脱羧酶的大肠杆菌基因工程菌。
本发明还提供一种应用所述大肠杆菌基因工程菌产谷氨酸脱羧酶的方法,是将37℃、200rpm下过夜培养的种子以5%的接种量转入TB培养基,于37℃、200rpm条件下培养,OD600值为1.0时,添加终浓度为0.7mM的IPTG诱导表达。
本发明还提供了另一种应用所述大肠杆菌基因工程菌产谷氨酸脱羧酶的方法,是将种子培养液以5-10%的接种量转入装有发酵培养基的发酵罐,于37℃、200rpm条件下培养;待培养基中初始甘油消耗尽,即发酵罐中溶氧上升时,以比生长速率0.12-0.20h-1指数流加补料培养基,通过搅拌转速与溶氧偶联控制溶氧约30%;待OD600达到40-50,补料培养基由指数流加转为恒速流加,流加速率12mL/h,并开始以0.8g/L/h的速度流加200g/L的乳糖进行诱导,诱导12-24h。
种子培养基为LB培养基(1L):胰蛋白胨10g,酵母抽提物5g,NaCl 10g,pH调至7.0。
TB培养基(1L):胰蛋白胨12g,酵母抽提物24g,甘油5g,K2HPO4 14.6g,NaH2PO4·2H2O3.6g,甘氨酸7.5g,NaCl5g。
发酵培养基(1L):胰蛋白胨30g,酵母抽提物20g,甘油8g,Na2SO4 2.0g,(NH4)2SO42.5g,(NH4)2-H-citrate1.0g,K2HPO4 14.6g,NaH2PO4·2H2O3.6g,MgSO4·7H2O2.0g,维生素B1100mg。
补料培养基(1L):酵母膏50g,甘油500g,MgSO4·7H2O3.4g。
本发明还提供了一种应用所述大肠杆菌基因工程菌合成γ-氨基丁酸的方法,在3L发酵罐培养所述基因工程菌到发酵液中积累谷氨酸脱羧酶后,调整温度为37-50℃,50-100%磷酸控制pH4.6-5.0,分批次加入总量400-600g/L的一水合谷氨酸钠,转化6h。
本发明实现了谷氨酸脱羧酶的分泌表达,有利于简化酶的分离纯化程序,降低分离纯化成本。且本发明涉及的大肠杆菌基因工程菌经培养诱导产谷氨酸脱羧酶后,可直接利用发酵体系中的一水合谷氨酸钠合成GABA,6h内其GABA产量达203.7g/L。
附图说明
图1重组菌的谷氨酸脱羧酶SDS-PAGE,1、2为空载的胞内和胞外;3、4为重组菌的胞内和胞外。
图2重组菌发酵生产谷氨酸脱羧酶转化生产GABA的过程曲线。
具体实施方式
实施例1重组菌的构建
1)从大肠杆菌E.coliw3110提取基因组DNA作模板,进行PCR扩增,扩增信号肽torA基因的引物为:5’-CGCCATATGATGAACAATAACGATCTCTTTCAGGC-3’和5’-CATCCATGGCCGCTTGCGCCGCAGTC-3’,扩增谷氨酸脱羧酶基因gadB的引物为:5’-CATCCATGGATAAGAAGCAAGTAACG-3’和5’-CCCTCGAGTCAGGTATGTTTAAAGCTGTT-3’。
2)用限制性内切酶NdeI和NcoI消化处理torA基因的PCR产物,用限制性内切酶NcoI和XhoI消化处理gadB基因的PCR产物,载体pET20b(+)用NdeI和XhoI处理。酶切产物纯化后,T4连接酶22摄氏度连接过夜,转化E.coli JM109,筛选正确转化子。对于得到的正确转化子,提取质粒,转化E.coli BL21(DE3)
实施例2摇瓶水平重组菌的胞外谷氨酸脱羧酶SDS-PAGE和谷氨酸脱羧酶酶活检测
1)重组菌摇瓶水平发酵
a)培养基:种子培养基为LB培养基(1L):胰蛋白胨10g,酵母抽提物5g,NaCl 10g,pH调至7.0;发酵培养基为TB培养基(1L):胰蛋白胨12g,酵母抽提物24g,甘油5g,K2HPO414.6g,NaH2PO4·2H2O3.6g,甘氨酸7.5g,NaCl5g。
b)培养方法:将37℃、200rpm下培过夜培养的种子以5%的接种量转入TB培养基,于37℃、200rpm条件下培养36h。
c)诱导条件:诱导OD600值为1.0,IPTG浓度为0.7mM。
2)SDS-PAGE检验谷氨酸脱羧酶在胞内和胞外的表达情况,以空载作为对照(图1中1,2为空载的胞内和胞外;3,4为重组菌的胞内胞外)。可以看大到,谷氨酸脱羧酶在胞内和胞外都得到了表达
3)胞外酶活测定:底物反应液为含有10mM一水合谷氨酸钠和1mM磷酸吡哆醛的0.2M的磷酸缓冲液(pH4.6)。取100μL发酵液上清加入到900μL37℃预热的底物反应液中,保温10min,煮沸终止反应。HPLC测定发酵液中剩余谷氨酸和生成γ-氨基丁酸的含量。酶活定义为:在实验条件下,每分钟合成1mmolγ-氨基丁酸所需的酶量为一个酶活单位(U)。摇瓶水平,酶活达到5.11U/mL。
实施例3重组菌发酵罐水平发酵
1)种子培养基为LB培养基(1L):胰蛋白胨10g,酵母抽提物5g,NaCl10g,pH调至7.0;发酵培养基为TB培养基(1L):胰蛋白胨30g,酵母抽提物20g,甘油8g,Na2SO42.0g,(NH4)2SO4 2.5g,(NH4)2-H-citrate1.0g,K2HPO4 14.6g,NaH2PO4·2H2O3.6g,MgSO4·7H2O2.0g,thiamine100mg;补料培养基(1L):酵母膏50g,甘油500g,MgSO4·7H2O3.4g;诱导(1L):乳糖200g。
2)培养方法:待培养基中初始甘油消耗尽,即发酵罐中溶氧上升时,以比生长速率0.12h-1指数流加补料培养基;待OD600达到50,补料培养基由指数流加转为恒速流加,流加速率12mL/h,并开以0.8g/L/h的速度流加乳糖进行诱导,诱导24h。
3)发酵42h,胞外酶活达到15.82U/mL。
实施例4重组菌积累γ-氨基丁酸
如图2所示,在发酵罐发酵42h后,调整温度为50℃,50%磷酸控制pH4.6,分批次加入总量450g/L的一水合谷氨酸钠,6h后,γ-氨基丁酸产量达203.7g/L。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上,但其并非用以限定本发明,任何熟悉此技术的人,在不脱离本发明的精神和范围内,都可做各种的改动与修饰,因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种分泌表达谷氨酸脱羧酶的大肠杆菌基因工程菌,其特征在于,所述基因工程菌是以双精氨酸信号肽TorA分泌表达谷氨酸脱羧酶,所述表达谷氨酸脱羧酶的基因为gadB,所述双精氨酸信号肽TorA和表达谷氨酸脱羧酶的基因gadB均来源于大肠杆菌。
2.一种构建权利要求1所述大肠杆菌基因工程菌的方法,其特征在于,以大肠杆菌E.coli w3110基因组DNA作模板,PCR获得信号肽torA基因和谷氨酸脱羧酶的基因gadB;用限制性内切酶分别消化处理torA基因和gadB基因的PCR产物,酶切产物纯化后,连接载体并转化E.coli BL21(DE3),获得分泌表达谷氨酸脱羧酶的大肠杆菌基因工程菌。
3.一种应用权利要求1所述大肠杆菌基因工程菌产谷氨酸脱羧酶的方法,其特征在于,是将37℃、200rpm下在种子培养基中过夜培养的种子以5%的接种量转入TB培养基,于37℃、200rpm条件下培养,OD600 值为1.0时,添加终浓度为0.7mM的IPTG诱导表达。
4.一种应用权利要求1所述大肠杆菌基因工程菌产谷氨酸脱羧酶的方法,其特征在于,是将种子培养液以5-10%的接种量转入装有发酵培养基的发酵罐,于37℃、200rpm条件下培养,待培养基中初始甘油消耗尽,即发酵罐中溶氧上升时,以比生长速率0.12-0.20 h-1指数流加补料培养基;待OD600 达到40-50,补料培养基由指数流加转为恒速流加,流加速率12mL/h,并开始以0.8g/L/h的速度流加200g/L的乳糖进行诱导,诱导12-24h。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,种子培养基每1L含有:胰蛋白胨10g,酵母抽提物5g,NaCl 10g,pH调至7.0;TB培养基每1L含有胰蛋白胨12g,酵母抽提物24g,甘油5g,K2HPO4 14.6g,NaH2PO4 · 2H2O 3.6g,甘氨酸 7.5g,NaCl 5g。
6.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,发酵培养基每1L含有:胰蛋白胨30g,酵母抽提物20g,甘油8g,Na2SO4 2.0g,(NH4)2SO4 2.5g,柠檬酸氢二铵1.0g,K2HPO4 14.6g,NaH2PO4 · 2H2O 3.6g,MgSO4 · 7H2O 2.0g,维生素B1 100mg。
7.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,补料培养基每1L含有:酵母膏50g,甘油500g,MgSO4 · 7H2O 3.4g。
8.一种应用权利要求1所述大肠杆菌基因工程菌合成γ-氨基丁酸的方法,其特征在于,将种子培养液以5-10%的接种量转入装有发酵培养基的发酵罐,于37℃、200rpm条件下培养,待培养基中初始甘油消耗尽,即发酵罐中溶氧上升时,以比生长速率0.12-0.20 h-1指数流加补料培养基;待OD600 达到40-50,补料培养基由指数流加转为恒速流加,流加速率12mL/h,并开始以0.8g/L/h的速度流加200g/L的乳糖诱导谷氨酸脱羧酶基因表达,待发酵液中积累谷氨酸脱羧酶后,调整温度为37-50℃,50-100%磷酸控制pH 4.6-5.0,分批次加入总量400-600g/L的一水合谷氨酸钠作为底物生产γ-氨基丁酸。
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