CN104831574A - 一种用酿酒酵母工程菌降解植物的木质素的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用酿酒酵母工程菌降解植物的木质素的方法。属生物技术领域。首先分别从微生物中克隆木质素过氧化物酶基因、锰过氧化物酶基因和漆酶基因；构建含上述三种基因表达框架的酿酒酵母表达载体，将酿酒酵母表达载体转化酿酒酵母，通过G418抗性筛选而获得含锰过氧化物酶基因表达框架、木质素过氧化物酶基因表达框架和漆酶基因表达框架的酿酒酵母工程菌。将酿酒酵母工程菌与植物原料作用而降解植物的木质素。本发明的优点体现于：这种酿酒酵母工程菌对木质素的降解作用强于当前应用于降解植物的木质素的天然的表达分泌锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶和漆酶的天然的微生物。

Description

一种用酿酒酵母工程菌降解植物的木质素的方法
技术领域
本发明属于生物技术领域，涉及构建和应用微生物工程菌的方法。具体是应用微生物工程菌降解植物原料的木质素的方法。
背景技术
锰过氧化物酶(Manganese Peroxidase，MnP)、木质素过氧化物酶(Lignin Peroxidase，LiP)和漆酶(Laccase)具有共同降解木质素的作用。
植物资源不断再生，十分丰富。植物的基本成分是纤维素、半纤维素和木质素。其中在制造沼气和乙醇业中有用的成分是纤维素，次之是半纤维素。前者由葡萄糖构成，而后者由戊糖构成。这些糖都是转化为乙醇和沼气的物质。但是纤维素分子之间被木质素镶嵌，被镶嵌着的纤维素不能被水解。木质素是广泛存在于植物体中的无定形的、分子结构中含有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香性高聚物，形成纤维支架，结构十分稳定。欲利用纤维素则必须先降解木质素。当前用于降解木质素的方法有物理、化学和生物的方法。物理法主要是机械粉碎法、高温热解预处理以及辐射预处理等，但是物理法耗能大，并且需要特殊设备；化学法主要是酸或碱处理的方法。化学处理法具有工艺简单的特点，但是处理后的纤维素和半纤维素损失大，并且产生大量的酸碱废气物污染环境。与化学法和物理法相比，当前应用的生物法主要是应用天然的表达分泌降解木质素的酶的白腐真菌与植物原料作用而降解植物原料中的木质素。应用白腐真菌降解植物的木质素的优势在于，白腐真菌具有完整的降解木质素的酶系(锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶和漆酶)，其不足之处是白腐真菌所含的锰过氧化物酶基因、木质素过氧化物酶基因和漆酶基因只是单拷贝，表达的酶的产量少，并且，白腐真菌生长缓慢，降解木质素的周期长。
酿酒酵母(saccharomyces cerevisiae)是常用于生产重组蛋白的微生物。酿酒酵母营养要求低，能将表达的蛋白分泌到胞外，并且它具有组成型强启动子：三磷酸甘油醛脱氢酶启动子(pGAP)。
发明内容
本发明构建含锰过氧化物酶基因表达框架、木质素过氧化物酶基因表达框架和漆酶基因表达框架的酿酒酵母工程菌；用含锰过氧化物酶基因表达框架、木质素过氧化物酶基因表达框架和漆酶基因表达框架的酿酒酵母工程菌与植物原料作用，通过工程菌分泌锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶和漆酶而降解植物原料的木质素。
本发明所采用的技术方案是：
1.克隆基因：通过反转录PCR或PCR技术从含锰过氧化物酶基因、木质素过氧化物酶基因、漆酶基因的微生物中分别克隆锰过氧化物酶基因、木质素过氧化物酶基因和漆酶基因。
2.通过PCR扩增或DNA序列合成而获得构建表达载体所需的启动子，重组序列，信号肽，转录终止子和抗性基因表达框架的DNA序列。
3.通过分子生物学技术构建含锰过氧化物酶基因表达框架、木质素过氧化物酶基因表达框架和漆酶基因表达框架的酿酒酵母表达载体(附图1)。
4.将以上构建的酿酒酵母表达载体转化酿酒酵母。根据表达载体上的G418抗性筛选高拷贝重组子作为含锰过氧化物酶基因表达框架、木质素过氧化物酶基因表达框架和漆酶基因表达框架的酿酒酵母工程菌。
5.将以上构建的含锰过氧化物酶基因表达框架、木质素过氧化物酶基因表达框架和漆酶基因表达框架酿酒酵母工程菌应用于降解植物的木质素。
本发明构建了含锰过氧化物酶基因表达框架、木质素过氧化物酶基因表达框架和漆酶基因表达框架的酵母工程菌，将这种酿酒酵母工程菌与植物原料作用，降解植物的木质素的优点体现于：
由于工程菌的构建选择了强的启动子调控基因，生产性能好的微生物作为工程菌构建的对象，并且选择高拷贝的重组子作为工程菌，所以，本发明构建的含锰过氧化物酶基因表达框架、木质素过氧化物酶基因表达框架和漆酶基因表达框架的酿酒酵母工程菌不仅具备酿酒酵母本身的营养要求低、生长繁殖迅速等特点，还具备工程菌的良好表达分泌降解木质素的酶系(锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶和漆酶)的功能，这种含锰过氧化物酶基因表达框架、木质素过氧化物酶基因表达框架和漆酶基因表达框架的酿酒酵母工程菌对木质素的降解作用强于当前应用于降解植物的木质素的天然的表达分泌木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶的天然的微生物。
附图说明
附图1.酿酒酵母表达载体。
P.酿酒酵母的三磷酸甘油醛脱氢酶启动子；S.酿酒酵母交配因子α的信号肽(MFα的信号肽)；mnp.锰过氧化物酶基因；lip.木质素过氧化物酶基因；lac.漆酶基因；T.转录终止子序列；G418.G418基因表达框架；ColE1.大肠杆菌复制起点；AMP.氨苄青霉素基因表达框架；saccharomyces cerevisiae rDNA.酿酒酵母的rDNA序列。
具体实施方式
下面采用非限定性实施例对本发明作进一步说明。
实施例：
1.获得酶基因及构建表达载体所需的相关原件
(1)PCR扩增酿酒酵母的磷酸甘油醛脱氢的启动子序列
用蜗牛酶裂解酿酒酵母的细胞壁，提取酿酒酵母基因组DNA，用如下引物：5’TCGAGTTTATCATTATCAAT3’和5’TCGAAACTAAGTTCTTGGTG3’)进行PCR扩增，PCR产物经序列测定和用NCBI提供的BLAST软件分析证明是酿酒酵母的三磷酸甘油醛脱氢酶基因的启动子序列。
(2)PCR扩增枯草芽孢杆菌的漆酶基因
用蜗牛酶裂解枯草芽孢杆菌的细胞壁，提取枯草芽孢杆菌基因组DNA，应用上游引物(5AACCTAGGATGACACTTGAAAAATTTGTGGATGC3’)和下游引物(5’AAGCGGCCGCCTATTTATGGGGATCAGTTATA3’)进行PCR扩增，PCR产物经序列测定和用NCBI提供的BLAST软件分析证明是枯草芽孢杆菌的漆酶基因序列。
(3)应用反转录PCR扩增白腐真菌的木质素过氧化物酶基因和锰过氧化物酶基因
应用RNA提取试剂盒提取白腐真菌(白腐真菌模式菌种-黄孢原毛平革菌)的总RNA，以总RNA为模板，应用cDNA合成试剂盒反转录成cDNA。以上述合成的cDNA为模板，应用引物1(5’AAGAATTCGCCACCTGTTCCAACGGCAAGACCGTC3’)和引物2(5’AAGCGGCCGCCTAAGCACCCGGAGGCGGAGGGATGCG3’)进行PCR扩增，获得的PCR产物经序列分析和用NCBI提供的BLAST软件分析证明是白腐真菌的木质素过氧化物酶基因序列；以上述合成的cDNA为模板，应用引物3(5’CCGAATTCGCGGTCTGCCCCGACGGCACCCGCGTCA3’)和引物4(5’TTGCGGCCGCCTATGCGGGACCGTTGAACTGGACACC3’)进行PCR扩增，获得的PCR产物经序列分析和用NCBI提供的BLAST软件分析证明是白腐真菌的锰过氧化物酶基因序列
(4)应用PCR扩增酿酒酵母的rDNA序列
提取酿酒酵母基因组DNA，以基因组DNA为模板，应用上游引物(5’CCGGTACCaggttcacctacggaaaccttg3’)和下游引物(5’CCTTCGAAtgtctcaaagattaagccatgc3’)进行PCR扩增，获得的PCR产物经序列分析和用NCBI提供的BLAST软件分析证明是酿酒酵母基因组中的rDNA序列。
说明：
①酿酒酵母和枯草芽孢杆菌基因组DNA提取方法：将菌细胞加于9mg/ml的蜗牛酶溶液(蜗牛酶用1mol/L山梨醇溶解)于30℃振摇30分钟，然后按照常规的细菌基因组DNA提取方法提取其基因组DNA。
②引物5’端的8个碱基是酶切保护碱基(2个碱基)和DNA限制性内切酶识别位点(有下划线的6个碱基).
(5)合成如下氨苄青霉素抗性基因序列[如下序列有下划线的是酶切保护碱基(2个碱基)和DNA限制性内切酶识别位点(6个碱基)，没有下划线的是氨苄青霉素抗性基因序列]
5’AAGGTACCTTACCAATGCTTAATCAGTGAGGCACCTATCTCAGCGATCTGTCTATTTCGTTCATCCATAGTTGCCTGACTCCCCGTCGTGTAGATAACTACGATACGGGAGGGCTTACCATCTGGCCCCAGTGCTGCAATGATACCGCGAGACCCACGCTCACCGGCTCCAGATTTATCAGCAATAAACCAGCCAGCCGGAAGGGCCGAGCGCAGAAGTGGTCCTGCAACTTTATCCGCCTCCATCCAGTCTATTAATTGTTGCCGGGAAGCTAGAGTAAGTAGTTCGCCAGTTAATAGTTTGCGCAACGTTGTTGCCATTGCTGCAGGCATCGTGGTGTCACGCTCGTCGTTTGGTATGGCTTCATTCAGCTCCGGTTCCCAACGATCAAGGCGAGTTACATGATCCCCCATGTTGTGCAAAAAAGCGGTTAGCTCCTTCGGTCCTCCGATCGTTGTCAGAAGTAAGTTGGCCGCAGTGTTATCACTCATGGTTATGGCAGCACTGCATAATTCTCTTACTGTCATGCCATCCGTAAGATGCTTTTCTGTGACTGGTGAGTACTCAACCAAGTCATTCTGAGAATAGTGTATGCGGCGACCGAGTTGCTCTTGCCCGGCGTCAACACGGGATAATACCGCGCCACATAGCAGAACTTTAAAAGTGCTCATCATTGGAAAACGTTCTTCGGGGCGAAAACTCTCAAGGATCTTACCGCTGTTGAGATCCAGTTCGATGTAACCCACTCGTGCACCCAACTGATCTTCAGCATCTTTTACTTTCACCAGCGTTTCTGGGTGAGCAAAAACAGGAAGGCAAAATGCCGCAAAAAAGGGAATAAGGGCGACACGGAAATGTTGAATACTCATAAGCTTGG3’
(6)合成如下G418抗性基因序列[如下序列有下划线的是酶切保护碱基(2个碱基)和DNA限制性内切酶识别位点(6个碱基)，没有下划线的是G418抗性基因序列]
CCATCGATCCAATTCTGATTAGAAAAACTCATCGAGCATCAAATGAAACTGCAATTTATTCATATCAGGATTATCAATACCATATTTTTGAAAAAGCCGTTTCTGTAATGAAGGAGAAAACTCACCGAGGCAGTTCCATAGGATGGCAAGATCCTGGTATCGGTCTGCGATTCCGACTCGTCCAACATCAATACAACCTATTAATTTCCCCTCGTCAAAAATAAGGTTATCAAGTGAGAAATCACCATGAGTGACGACTGAATCCGGTGAGAATGGCAAAAGCTTATGCATTTCTTTCCAGACTTGTTCAACAGGCCAGCCATTACGCTCGTCATCAAAATCACTCGCATCAACCAAACCGTTATTCATTCGTGATTGCGCCTGAGCGAGACGAAATACGCGATCGCTGTTAAAAGGACAATTACAAACAGGAATCGAATGCAACCGGCGCAGGAACACTGCCAGCGCATCAACAATATTTTCACCTGAATCAGGATATTCTTCTAATACCTGGAATGCTGTTTTCCCGGGGATCGCAGTGGTGAGTAACCATGCATCATCAGGAGTACGGATAAAATGCTTGATGGTCGGAAGAGGCATAAATTCCGTCAGCCAGTTTAGTCTGACCATCTCATCTGTAACATCATTGGCAACGCTACCTTTGCCATGTTTCAGAAACAACTCTGGCGCATCGGGCTTCCCATACAATCGATAGATTGTCGCACCTGATTGCCCGACATTATCGCGAGCCCATTTATACCCATATAAATCAGCATCCATGTTGGAATTTAATCGCGGCCTCGAGCAAGACGTTTCCCGTTGAATATGGCTCATGGTACCAA
⑦合成MFα因子信号肽[如下序列有下划线的是酶切保护碱基(2个碱基)和DNA限制性内切酶识别位点(6个碱基)，没有下划线的是α因子信号肽序列]：
TTGCATGCATGAGATTTCCTTCAATTTTTACTGCAGTTTTATTCGCAGCATCCTCCGCATTAGCTGCTCCAGTCAACACTACAACAGAAGATGAAACGGCACAAATTCCGGCTGAAGCTGTCATCGGTTACTCAGATTTAGAAGGGGATTTCGATGTTGCTGTTTTGCCATTTTCCAACAGCACAAATAACGGGTTATTGTTTATAAATACTACTATTGCCAGCATTGCTGCTAAAGAAGAAGGGGTATCTCTCGAGAAAAGAGAGGCTGAAGCTTACACTAGTGG
⑧合成转录终止子序列[如下序列有下划线的是酶切保护碱基(2个碱基)和DNA限制性内切酶识别位点(6个碱基)，没有下划线的是转录终止子序列]：
TTACTAGTCCTTAGACATGACTGTTCCTCAGTTCAAGTTGGGCACTTACGAGAAGACCGGTCTTGCTAGATTCTAATCAAGAGGATGTCAGAATGCCATTTGCCTGAGAGATGCAGGCTTCATTTTTGATACTTTTTTATTTGTAACCTATATAGTATAGGATTTTTTTTGTCATTTTGTTTCTTCTCGTACGAGCTTGCTCCTGATCAGCCTATCTCGCAGCTGATGAATATCTTGTGGTAGGGGTTTGGGAAAATCATTCGAGTTTGATGTTTTTCTTGGTATTTCCCACTCCTCTTCAGAGTACAGAAGATTAAGTGAGAAGTTCGTTTGTGCAAGCTTATC GATGG
2.构建酿酒酵母表达载体
(1)由专业的DNA序列合成公式合成大肠杆菌复制起点的两条碱基互补的双链，并且在每条DNA链序列的两端形成粘性末端。通过T4DNA连接酶的作用使其环化，形成DNA克隆载体。将这克隆载体命名为ND。
(2)通过DNA限制性内切酶和T4DNA连接酶的作用，将酿酒酵母的三磷酸甘油醛脱氢酶启动子DNA序列、α因子信号肽DNA序列、白腐真菌的锰过氧化物酶基因序列和转录终止子序列依次重组于ND载体的多克隆位点。此载体称为ND1。
(3)通过DNA限制性内切酶和T4DNA连接酶的作用，将酿酒酵母的三磷酸甘油醛脱氢酶启动子DNA序列、α因子信号肽DNA序列、白腐真菌的木质素过氧化物酶基因序列和转录终止子序列依次重组于ND载体的多克隆位点。此载体称为ND2。
(4)通过DNA限制性内切酶和T4DNA连接酶的作用，将酿酒酵母的三磷酸甘油醛脱氢酶启动子DNA序列、α因子信号肽DNA序列、枯草芽孢杆菌的漆酶基因序列和转录终止子序列依次重组于ND载体的多克隆位点。此载体称为ND3。
(5)通过DNA限制性内切酶和T4DNA连接酶的作用，切取ND2和ND3载体的表达框架，并将切下的表达框架依次插入于ND1的多克隆位点。此载体称为ND123。
(6)通过DNA限制性内切酶和T4DNA连接酶的作用依次将氨苄青霉素基因表达框架、G418基因表达框架和酿酒酵母的rDNA序列重组于ND123载体的多克隆位点，从而完成表达载体的构建(附图1)。
3.构建酿酒酵母工程菌
用常规的氯化钙方法制备大肠杆菌感受态，将以上构建的表达载体(附图1)转化于大肠杆菌，提取质粒(载体)DNA。按照常规方法制备酿酒酵母感受态，用常规的电转化方法分别将其表达载体(附图1)转化酿酒酵母，将经过转化作用的酿酒酵母细胞涂布于含G418浓度为5000μg/ml的YPD琼脂(2％蛋白胨，1％酵母提取物，2％葡萄糖，1.5％琼脂粉)平板，30℃培养3天。将在含G418浓度为700μg/ml的YPD琼脂平板上生长的克隆转种于G418浓度为10000μg/ml的YPD琼脂平板上，30℃培养3天。挑选能在G418浓度为10000μg/ml的YPD琼脂平板上生长的克隆(重组子)进行摇瓶发酵。依据三种基因序列设计引物，PCR证明其锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶和漆酶基因已经重组与酿酒酵母基因组；将发酵液上清进行SDS-PAGE电泳初步分析目标蛋白的表达。用离子交换和分子筛层析方法分离纯化各种目标蛋白，然后将分离纯化的目标蛋白用蛋白印迹法进行验证(说明.蛋白印迹：委托专业的多肽合成服务公司分别合成以上所述的锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶和漆酶蛋白序列C端的35个氨基酸序列，将这些合成的多肽分别注射于家兔制备抗这些多肽的抗体而应用于蛋白印迹)证明以上所述的3种基因在酿酒酵母重组子中表达和分泌到胞外。用常规方法进行酶活性测定，结果证明在酿酒酵母中表达分泌的重组漆酶具有漆酶活性、在酿酒酵母中表达分泌的重组木质素过氧化物酶具有木质素过氧化物酶活性和在酿酒酵母中表达分泌的重组锰过氧化物酶具有锰过氧化物酶活性。挑选高G418抗性的重组子作为酿酒酵母工程菌。
4.应用酿酒酵母工程菌与植物作用，降解植物的木质素
(1)将酿酒酵母工程菌接种于YPD液体培养基(2％蛋白胨，1％酵母提取物，2％葡萄糖)中培养至OD600＝6，取3瓶体积分别是1000mL酿酒酵母工程菌菌液分别接种于3瓶5000克(湿重)经过粉碎的水稻秸秆中，即在每瓶5000克(湿重)的水稻秸秆中接种1000mL菌液，于30℃放置4天。用常规的硫酸法测定其经过酿酒酵母工程菌作用的水稻秸秆残留木质素的含量(表1)，平均残留的木质素的含量是2.40％。
表1.经过酿酒酵母工程菌作用的水稻秸秆残留木质素的含量
(2)将具有表达分泌锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶和漆酶的通常应用于植物原料发酵沼气和乙醇的预处理(降解木质素)的白腐真菌模式菌种-黄孢原毛平革菌接种于马铃薯培养基(20％马铃薯，2％葡萄糖)中培养至0D6600＝6，取3瓶体积分别是1000mL菌液分别接种于3瓶5000克(湿重)经过粉碎的水稻秸秆中，即在每瓶5000克(湿重)的水稻秸秆中接种1000mL菌液，于30℃放置4天。用常规的硫酸法测定其经过白腐真菌作用的水稻秸秆残留木质素的含量(表2)，平均残留的木质素的含量是9.62％。
表2.经过白腐真菌作用的水稻秸秆残留木质素含量
(3)将酿酒酵母接种于YPD液体培养基(2％蛋白胨，1％酵母提取物，2％葡萄糖)中培养至OD600＝6，取3瓶体积分别是1000mL菌液分别接种于3瓶5000克(湿重)经过粉碎的水稻秸秆中，即在每瓶5000克(湿重)的水稻秸秆中接种1000mL菌液，于30℃放置4天。用常规的硫酸法测定经过酿酒酵母作用的水稻秸秆残留的木质素的含量平均是14.9％。
(表3)，平均残留的木质素的含量是14.97％。
表3.经过酿酒酵母作用的水稻秸秆残留的木质素含量
(4)将3份1000mL的15％氨水加入3瓶5000克(湿重)的水稻秸秆，即在每瓶5000克(湿重)的水稻秸秆中接种1000mL15％的氨水，于30℃放置4天，用常规的硫酸法测定其经过氨水作用的水稻秸秆残留木质素的含量(表4)，平均残留的木质素的含量是10.16％。
表4.经过氨水作用的水稻秸秆残留木质素含量
(5)用常规的硫酸法测定3份天然的水稻秸秆(湿重)的木质素的含量(表5)，平均木质素的含量是平均是15.03％。
表5.天然的水稻秸秆木质素含量
统计学分析结果表明，酿酒酵母工程菌降解植物的木质素的效果极显著强于酿酒酵母(P＜0.001)、极显著强于白腐真菌(P＜0.001)和极显著强于氨水(P＜0.001)的降解植物的木质素的效果。
说明：以上所指的湿重的水稻秸秆是新鲜的经过粉碎的水稻秸秆。

Claims (2)

1.一种用酿酒酵母工程菌降解植物的木质素的方法，其特征在于：通过分子生物学技术从微生物中克隆锰过氧化物酶基因、木质素过氧化物酶基因和漆酶基因；构建含锰过氧化物酶基因表达框架、木质素过氧化酶基因表达框架和漆酶基因表达框架的酿酒酵母表达载体；将上述构建的酿酒酵母表达载体转化酿酒酵母，并通过其表达载体上的抗性进行筛选获得表达载体高拷贝重组的含锰过氧化物酶基因表达框架、木质素过氧化酶基因表达框架和漆酶基因表达框架的酿酒酵母工程菌；将以上所述的酿酒酵母工程菌应用于降解植物的木质素。
2.根据权利要求1所述一种用酿酒酵母工程菌降解植物的木质素的方法，其特征在于：利用权利要求1所述的方法制备降解植物的木质素的酿酒酵母工程菌的产品。
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CN109486776A (zh) * 2018-12-11 2019-03-19 中国农业科学院饲料研究所 锰过氧化物酶NfMnP及其编码基因和应用

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