CN108130284A - 一种发酵产Rakicidin A的海洋小单孢菌株及其应用 - Google Patents

一种发酵产Rakicidin A的海洋小单孢菌株及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于微生物发酵技术领域，具体涉及一种发酵产Rakicidin A的海洋小单孢菌株及其应用。本发明通过对现有产Rakicidins化合物的海洋小单孢菌株FIM02523进行诱变育种，得到一株高产Rakicidin A的突变菌株海洋小单孢菌株FIM‑R150103，该菌株能够有效提高发酵液中Rakicidin A的效价，在20‑1000L发酵罐的发酵实验中，海洋小单孢菌FIM‑R150103发酵产生Rakicidin A的效价高达300mg/L左右，极大地有利于Rakicidin A的提取纯化工作，可以满足工业化需求。

Description

一种发酵产Rakicidin A的海洋小单孢菌株及其应用
技术领域
本发明属于微生物发酵技术领域，具体涉及一种发酵产Rakicidin A的 海洋小单孢菌株及其应用。
背景技术
Rakicidins类化合物为海洋小单孢菌的发酵产物，目前已分离的 Rakicidins类化合物主要含有Rakicidin A、Rakicidin A1、Rakicidin B1及 Rakicidin B，其化学结构及组分如下：
Rakicidins类化合物因为其15元环脂肽结构中含1个稀有罕见的4-氨 基-2,4-戊二烯酸辛酰胺并有抗肿瘤细胞活性而受到关注。Yamazaki(2007) 研究发现，Rakicidin A具有卓越的乏氧选择性抗肿瘤细胞活性，在乏氧条 件下抗结肠癌HCT-8细胞活性是常氧条件下的17.5倍；Takeuchi(2011) 也首次报道了Rakicidin A在乏氧条件下能够诱导髓性慢性白血病干细胞的 凋亡。虽然该Rakicidin A的抗乏氧肿瘤细胞及抗CSC的作用机制尚不清楚， 但Rakicidin A已被许多同行认为是一个极富开发前景的抗乏氧肿瘤细胞及 抗CSC药物。
福建省微生物研究所于2006年首次在国内报道了从微生物代谢产物中 分离到化合物Rakicidin A和B(详见中国专利CN 105709205A和CN 105753936A)，并对Rakicidin B(FW523-3)的有关生物学活性进行了初步 研究，更是首次发现Rakicidins A和B化合物具有抗临床致病艰难梭菌等厌 氧菌、抗耐万古霉素肠球菌的活性，具有较大的研发价值。
但是，现有研究中关于Rakicidins类化合物的发酵生产工艺研究及报道 均较少。如Kimberly D.Mcbrien等虽然报道了Rakicidins类化合物的发酵及 分离纯化工艺，但其仅限于摇瓶工艺阶段，并未发展到适合的工业化生产， 而且其整体的发酵周期较长，并且其发酵液中的主要组分多为Rakicidin A， Rakicidin B的含量比较低。福建省微生物研究所也于2006年报道了一种从海 洋青铜小单孢菌FIM 02-523的发酵液中提取到Rakicidins类化合物的方法， 所提取的Rakicidins类化合物包括Rakicidin A和Rakicidin B。但是所述的方法 也仅是限于摇瓶的基本发酵，不仅发酵水平低下，而且难以应用于大规模 发酵生产。
中国专利CN105779348A公开了一种Rakicidins类化合物的发酵方法，该 方法中，Rakicidins类化合物的最高总发酵效价仅为600mg/L左右，其中 Rakicidin A的效价更是最高仅为140mg/L，一方面，Rakicidin A的收率较低， 另一方面，也加大了产物分离提取纯化的难度，难以实现工业化生产。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种发酵产Rakicidin A的 海洋小单孢菌株，以解决现有技术中Rakicidin A发酵产量较低的问题。
本发明解决的第二个技术问题在于提供一种发酵生产Rakicidin A的 方法。
为解决上述技术问题，本发明所述的一种海洋小单孢菌株，其分类命 名为Micromonospora sp.FIM-R150103，已保藏于中国微生物菌种保藏管理 委员会普通微生物中心，其保藏编号为CGMCC NO.14822。保藏地址：北 京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏日期：2017年10月16日。
本发明所述的一种海洋小单孢菌株是以海洋小单孢菌FIM02-523为出 发菌株进行突变所得。
本发明还公开了所述的海洋小单孢菌株在发酵生产Rakicidins化合物 中的应用。
所述Rakicidins化合物为Rakicidin A。
本发明还公开了一种发酵生产Rakicidin A的方法，包括将所述的海洋 小单孢菌株接种于适宜发酵培养基中进行发酵培养的步骤。
所述发酵培养基包括如下质量含量的组分：可溶性淀粉3.0-5.0％，蔗 糖0.8-1.2％，黄豆饼粉2.0-4.0％，硫酸铵0.4-0.6％，缬氨酸0.08-0.12％， MgSO4·7H2O 0.03-0.05％，FeSO4·7H2O 0.004-0.006％，CuSO4·5H2O 0.004-0.006％，CoCl2·6H2O 0.0004-0.0006％，CaCO3 0.4-0.6％，自来水配 制，调pH值为7.5。
优选的，所述发酵培养基包括如下质量含量的组分：可溶性淀粉4.0％， 蔗糖1.0％，黄豆饼粉3.0％，硫酸铵0.5％，缬氨酸0.1％，MgSO4·7H2O 0.04％， FeSO4·7H2O0.005％，CuSO4·5H2O 0.005％，CoCl2·6H2O 0.0005％， CaCO3 0.5％，自来水配制，调pH值为7.5。
所述发酵培养步骤的条件为：以6.0-10.0％的接种量接种所述菌株，控 制转速200-500rpm，通气0.5-1.5vvm，控制发酵过程DO值大于30％，于 30-35℃进行发酵培养。
优选的，以8.0％的接种量接种所述菌株到发酵罐中，于32℃进行发酵 培养，发酵前期控制转速200rpm，通气0.5vvm，随着菌丝的增长先逐步提 高转速至500rpm；根据发酵罐DO参数的变化，再逐步提高通气至1.5vvm， 发酵过程始终控制DO值大于30％。
所述发酵过程中，还包括在发酵12小时后，流加0.8-1.2％的缬氨酸溶 液进行补料的步骤，并优选为补加1.0％的缬氨酸溶液。
所述方法还包括将所述菌株接种于种子培养基中进行种子液培养的步 骤，所述种子培养基包括如下质量含量的组分：可溶性淀粉1.5-2.5％，葡 萄糖0.8-1.2％，酵母粉1.5-2.5％，MgSO4·7H2O 0.04-0.06％，KH2PO4 0.04-0.06％，CaCO3 0.1-0.3％，自来水配制，调pH值为7.0-7.5，灭菌后于 30-35℃进行种子液培养。
优选的，所述种子培养基包括如下质量含量的组分：可溶性淀粉2.0％， 葡萄糖1.0％，酵母粉2.0％，MgSO4·7H2O 0.05％，KH2PO4 0.05％，CaCO3 0.2％， 自来水配制，调pH值为7.0-7.5，灭菌后于32℃进行种子液培养。
所述种子液培养步骤包括摇瓶种子液培养和种子罐培养步骤。
所述方法还包括将所述菌株接种于高氏天冬素固体斜面培养基进行活 化培养的步骤，所述固体斜面培养基包括如下质量含量的组分：可溶性淀 粉1-3％，L-天冬素0.04-0.06％，KNO3 0.08-0.12％，K2HPO4·3H2O 0.04-0.06％， NaCl 0.04-0.06％，MgSO4·7H2O0.04-0.06％，CaCO3 0.08-0.12％，琼脂1-2％， 调pH值7.5。
优选的，所述固体斜面培养基包括如下质量含量的组分：可溶性淀粉 2％，L-天冬素0.05％，KNO3 0.1％，K2HPO4·3H2O 0.05％，NaCl 0.05％， MgSO4·7H2O 0.05％，CaCO30.1％，琼脂1.5％，调pH值7.5。
本发明通过对现有产Rakicidins化合物的海洋小单孢菌株FIM02523 进行诱变育种，得到一株高产Rakicidin A的突变菌株海洋小单孢菌株 FIM-R150103，该菌株能够有效提高发酵液中Rakicidin A的效价，在 20-1000L发酵罐的发酵实验中，海洋小单孢菌FIM-R150103发酵产生Rakicidin A的效价高达300mg/L左右，极大地有利于Rakicidin A的提取纯化工作，可以满足工业化需求。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实 施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，
图1为本发明突变株FIM R150103的电镜扫描图；
图2为本发明突变株FIM R150103的罐上发酵曲线图。
具体实施方式
实施例1菌株的诱变育种
本实施例所述海洋小单孢菌FIM R150103的诱变育种方法包括如下步 骤：
(1)孢子悬液制备：将培养成熟的出发菌株FIM02523(保藏编号 CGMCC NO.12132)新鲜斜面加入适量无菌生理盐水，用接种铲轻轻刮下， 倒入带有玻璃珠的无菌摇瓶振荡打散，后过滤菌丝，留下孢子悬液备用；
(2)亚硝基胍(NTG)诱变：称取200mg NGT于100ml三角瓶中， 加入2ml丙酮，再加入18ml Tris-氨甲烷马来酸缓冲液，使其完全溶解并混 合均匀，得到浓度为10mg/ml的NTG溶液20ml；取NTG母液与制备好的 菌悬液混合，使NTG终浓度分别为1mg/ml、2mg/ml、3mg/ml，于32℃摇 床振荡培养60min；诱变后的孢子液马上离心去除NTG，再用无菌生理盐 水反复离心洗涤孢子3遍后制成适当浓度的菌悬液；将菌悬液稀释至适当 倍数，再分别取0.1mL涂于高氏天冬素平板上；将涂匀的平板，置于32℃ 恒温培养箱中培养12d，培养好的平皿用于计算致死率和菌种筛选；
(3)ARTP(常压室温等离子体)诱变：设置ARTP诱变育种仪的工 作功率120W，气源为氩气，气流量10L/min，等离子体发射源与样品之间 的照射距离为2mm，照射时间设为0、60、120、180、240、360S；取制备 好的孢子悬液10ul均匀涂抹于无菌金属载片上，再将其放入ARTP仪中的 样品载台；按程序进行等离子体照射，样品处理完毕后用无菌镊子将载片放至装有1ml生理盐水的EP管中，将EP管在振荡器上震荡1min，把附着 在菌物载片上的微生物洗脱到液体中，形成新的菌悬液；对新的菌悬液进 行适当稀释，取0.1ml稀释液涂布平板，置于32℃恒温培养箱中培养12d， 培养好的平皿用于计算致死率和菌种筛选；
(4)NTG-ARTP复合诱变及Rakicidin A高产突变菌株的筛选：按照 上述方法进行NTG和ARTP诱变获得较佳的诱变条件，按致死率达到75％ 为标准，设定NTG诱变条件为菌悬液中NTG终浓度为1mg/ml、化学诱变 处理时间为60min；ARTP诱变条件为ARTP仪工作功率120W，气源为氩 气，气流量10L/min，等离子体发射源与样品之间的照射距离为2mm，照 射时间设为60S；将NTG诱变获得的菌悬液直接用于ARTP诱变；对复合 诱变后获得的菌悬液涂布分离于高氏1号培养基置于32℃恒温培养箱中培 养12d，培养好的平皿用于计算致死率和菌种筛选；
(5)菌种选育：菌种选育模型包括甘氨酸抗性模型和缬氨酸氧肟酸抗 性模型。所述甘氨酸抗性模型中，甘氨酸为菌体快速利用氮源的结构类似 物，发酵液中高浓度的铵离子会抑制Rakicidins化合物的合成，筛选对甘氨 酸耐受能力较强的菌株可以明显提高Rakicidins化合物的整体效价发酵效 价；所述缬氨酸氧肟酸抗性模型中，缬氨酸为Rakicidin A的侧链生物合成 前体的结构类似物，可反馈抑制催化Rakicidin A侧链生物合成关键酶，解 除L-缬氨酸的反馈抑制可以有效提高Rakicidin A发酵效价，缬氨酸氧肟酸 (valine hydroxamate,VH)为L-缬氨酸的结构类似物，采用缬氨酸氧肟酸作 为抗性选育标准可以大大提高选育出Rakicidin A高产菌株的概率。所述甘 氨酸抗性模型和缬氨酸氧肟酸抗性模型的筛选浓度标准件下表1和2。
表1甘氨酸耐受性
++++:极好；+++:好；++:中等；+:差；-:不生长。
表2缬氨酸氧肟酸耐受性
VH浓度(％) 生长情况*
0 ++++
0.05 ++++
0.1 +++
0.2 +++
0.3 ++
0.4 ++
0.5 +
0.6 -
++++:极好；+++:好；++:中等；+:差；-:不生长。
将诱变获得菌悬液适当稀释涂布到甘氨酸抗性平皿(含1.2％甘氨酸) 和缬氨酸氧肟酸抗性平皿(含缬氨酸氧肟酸0.6％)，30℃培养15天，对生 长出来的单菌落再分别挑种甘氨酸抗性平皿(含1.2％甘氨酸)或缬氨酸氧 肟酸抗性平皿(含缬氨酸氧肟酸0.6％)；以此来获得双重抗性的菌株。对甘 氨酸和缬氨酸氧肟酸双重抗性菌株进行摇瓶发酵HPLC验证。通过多轮复 合诱变以及大量的摇瓶选育获得一株高产突变株编号为Micromonospora sp. FIM-R150103，突变株FIM R150103的电镜扫描图见图1。
实施例2突变株稳定性考察
将诱变后获得的高产菌株小单孢菌FIM-R150103斜面连续传代6代， Rakicidin A发酵效价未发现明显变化。将该菌存于20℃保种柜每隔2个月 取原菌株传代一次发酵验证，结果该菌在12个月内Rakicidin A发酵效价未 发现明显变化。以上结论表明突变菌株FIM-R150103具有高产且遗传稳定 性状，适合工业化生产。将所得菌株小单孢菌FIM-R150103保存于中国微 生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，其保藏编号为CGMCCNO. 14822，保藏日期为2017年10月16日。
实施例3出发菌株FIM02523及突变株FIM-R150103摇瓶发酵对比
分别取新鲜培养的海洋小单孢菌FIM02523及突变株FIM-R150103斜 面孢子刮取后制成菌悬液接种到摇瓶种子培养中，在32℃、250rpm培养48 小时，按5％接种量接种到摇瓶发酵培养基中，于30℃、250rpm培养120 小时后放瓶，HPLC测定发酵产物。
配制种子培养基配方(质量分数)：可溶性淀粉2.0％，葡萄糖1.0％， 酵母粉2.0％，蛋白胨1.0％，MgSO4·7H2O 0.05％，FeSO4·7H2O 0.005％， CuSO4·5H2O 0.005％，CoCl2·6H2O 0.0005％，CaCO3 0.2％，自来水配制，调 pH值7.0-7.5，于28-32℃进行种子液培养。
配制发酵培养基配方(质量分数)：可溶性淀粉4.0％，蔗糖1.0％，黄 豆饼粉3.0％，硫酸铵0.5％，缬氨酸0.1％，MgSO4·7H2O 0.04％，FeSO4·7H2O 0.005％，CuSO4·5H2O 0.005％，CoCl2·6H2O 0.0005％，CaCO3 0.5％，自来水 配制，调pH值7.5，于32℃进行发酵液培养。
发酵过程通过HPLC检测发酵液中Rakicidin A的含量，发酵结束原始 菌株FIM02523的发酵效价为89mg/L，突变株FIM-R150103摇瓶发酵发酵 效价为210mg/L，提升了136％。
实施例4突变株FIM-R150103在20L发酵罐上发酵
按照实施例3中配方配制种子培养基及发酵培养基。
种子培养基为摇瓶种子，500ml摇瓶每瓶装液量为100ml，于32℃、 250rpm培养48小时；之后按照5％的接种量接种于20L发酵罐(实际装液 量13L)中进行发酵，30℃培养，控制罐压0.03-0.05Mpa，起始转速为200rpm， 48小时后根据发酵参数DO变化逐步调至350rpm，通气量为1：1vvm，至 发酵结束约96-120小时。
发酵过程通过HPLC检测发酵液中Rakicidin A的含量，最终发酵效价 为180mg/L。
实施例5
本实施例的发酵过程同实施例4，其区别仅在于，于发酵开始12小时 后流加补料1.0％的缬氨酸溶液：即在发酵12小时至72小时之间连续匀速 流加总量为发酵液体积1.0％的缬氨酸溶液。发酵过程通过HPLC检测发酵 液中Rakicidin A的含量，最终发酵效价为280mg/L。
实施例6
本实施例的发酵过程同实施例4，其区别仅在于，100L发酵罐中装液 量为70L、接种量为10％，在发酵开始12小时后流加补料1.0％的缬氨酸溶 液：即在发酵12小时至72小时之间连续匀速流加总量为发酵液体积1.0％ 的缬氨酸溶液。发酵过程通过HPLC检测发酵液中Rakicidin A的含量，最 终发酵效价为320mg/L。
实施例7
本实施例的发酵过程同实施例4，其区别仅在于，1000L发酵罐中装液 量为720L，在发酵开始12小时后流加补料1.0％的缬氨酸溶液：即在发酵 12小时至72小时之间连续匀速流加总量为发酵液体积1.0％的缬氨酸溶液。 发酵过程通过HPLC检测发酵液中Rakicidin A的含量，最高发酵效价为 330mg/L，其发酵过程曲线见图2所示。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方 式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可 以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予 以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保 护范围之中。

Claims (10)

1.一种海洋小单孢菌株，其分类命名为Micromonospora sp.FIM-R150103，已保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，其保藏编号为CGMCC NO.14822。
2.权利要求1所述的海洋小单孢菌株在发酵生产Rakicidins化合物中的应用。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述Rakicidins化合物为Rakicidin A。
4.一种发酵生产Rakicidin A的方法，其特征在于，包括将权利要求1所述的海洋小单孢菌株接种于适宜发酵培养基中进行发酵培养的步骤。
5.根据权利要求4所述的发酵生产Rakicidin A的方法，其特征在于，所述发酵培养基包括如下质量含量的组分：可溶性淀粉3.0-5.0％，蔗糖0.8-1.2％，黄豆饼粉2.0-4.0％，硫酸铵0.4-0.6％，缬氨酸0.08-0.12％，MgSO4·7H2O 0.03-0.05％，FeSO4·7H2O 0.004-0.006％，CuSO4·5H2O 0.004-0.006％，CoCl2·6H2O 0.0004-0.0006％，CaCO3 0.4-0.6％，自来水配制，调pH值为7.5。
6.根据权利要求4或5所述的发酵生产Rakicidin A的方法，其特征在于，所述发酵培养步骤的条件为：以6.0-10.0％的接种量接种所述菌株，控制转速200-500rpm，通气0.5-1.5vvm，控制发酵过程DO值大于30％，于30-35℃进行发酵培养。
7.根据权利要求4-6任一项所述的发酵生产Rakicidin A的方法，其特征在于，所述发酵过程中，还包括在发酵10-15小时后，流加0.8-1.2％的缬氨酸溶液进行补料的步骤。
8.根据权利要求4-7任一项所述的发酵生产Rakicidin A的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述菌株接种于种子培养基中进行种子液培养的步骤，所述种子培养基包括如下质量含量的组分：可溶性淀粉1.5-2.5％，葡萄糖0.8-1.2％，酵母粉1.5-2.5％，MgSO4·7H2O 0.04-0.06％，KH2PO4 0.04-0.06％，CaCO3 0.1-0.3％，自来水配制，调pH值为7.0-7.5，灭菌后于30-35℃进行种子液培养。
9.根据权利要求8所述的发酵生产Rakicidin A的方法，其特征在于，所述种子液培养步骤包括摇瓶种子液培养和种子罐培养步骤。
10.根据权利要求4-9任一项所述的发酵生产Rakicidin A的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述菌株接种于高氏天冬素固体斜面培养基进行活化培养的步骤，所述固体斜面培养基包括如下质量含量的组分：可溶性淀粉1-3％，L-天冬素0.04-0.06％，KNO3 0.08-0.12％，K2HPO4·3H2O 0.04-0.06％，NaCl 0.04-0.06％，MgSO4·7H2O 0.04-0.06％，CaCO30.08-0.12％，琼脂1-2％，调pH值7.5。
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