CN116179522A - 一种乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶突变体及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶突变体及其应用,属于基因工程技术领域。所述乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶变体其氨基酸序列第85位的脯氨酸突变为丝氨酸,其氨基酸序列如SEQ ID NO.1。或者所述乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶变体其氨基酸序列第85位的脯氨酸突变为苏氨酸,其氨基酸序列如SEQ ID NO.3。将携带乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶变体的大肠杆菌应用于赖氨酸的发酵生产,其赖氨酸产率得到显著提高。乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶变体1和变体2应用于赖氨酸的发酵生产,其赖氨酸积累量及转化率比出发菌均有显著提高,并且在不同的出发菌上均有正效果。
Description
技术领域
本发明涉及基因工程技术领域,具体涉及一种乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶突变体及其应用。
背景技术
大肠杆菌(Escherichia coli)是革兰氏阴性细菌,具有生长速度快、背景清晰、代谢工程手段成熟的优点。鉴于此,大肠杆菌广泛应用于工业发酵领域,可用于生产L-氨基酸、核苷酸及其他有机酸等。用于生产L-氨基酸,包括赖氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸等,大肠杆菌是非常优良的底盘菌。
赖氨酸是世界上第二大氨基酸生产品种,广泛应用于动物饲料、医药和食品工业。其中约90%用于饲料工业,10%用于食品和医药行业。用于动物饲料添加剂,赖氨酸可帮助机体吸收其他氨基酸,从而提高饲料质量。
从生物化学角度分类,赖氨酸属于天冬氨酸家族氨基酸。大肠杆菌合成赖氨酸,从天冬氨酸开始,经过多步酶催化反应得到赖氨酸。天冬氨酸作为赖氨酸合成的直接前体,前者供应的强化可以有效提高赖氨酸的产率。肠杆菌中催化天冬氨酸生成的一个关键酶是天冬氨酸铵离子裂合酶,该酶由argE基因编码,该酶可将TCA循环的中间产物延胡索酸一步氨化为天冬氨酸。已有研究中提高天冬氨酸铵离子裂合酶的表达效率的方式有多种,包括基因的多拷贝,或启动子的强化表达,或在酶的特定位置的引入氨基酸的突变,导致酶的催化活性或催化效率的变化。
此外,还有大量关于提高赖氨酸合成效率的报道,比如通过强化赖氨酸合成路径的相关基因,来提高相关酶的表达水平。或者优化中央碳代谢的相关基因的表达水平,来重新分配碳流比例。或者强化还原力辅因子的供应,来解除相关的限速瓶颈。除此之外,也有文献报道通过干扰全局调控或压力应答等来改善细胞的调控机理,亦可对氨基酸合成有正效果。
但至今尚未有相关报道,精氨酸代谢路径的基因或酶的变化对赖氨酸的合成有影响。本发明的发明人在多年的研究和实践中发现,精氨酸代谢相关的乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶可微妙的调控赖氨酸的合成。该酶的一些特定的变体,可以显著地提高肠杆菌对赖氨酸的合成效率,从而完成了本发明。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶变体,及携带其变体的重组菌株的发酵应用。
本发明的技术方案是这样实现的:
本发明提供一种乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶突变体,所述乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶变体其第85位的脯氨酸突变为丝氨酸,其氨基酸序列如SEQ ID NO.1。
本发明进一步保护编码上述乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶突变体的基因,其核苷酸序列如SEQ ID NO.2。
本发明进一步保护一种乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶突变体,所述乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶变体其第85位的脯氨酸突变为苏氨酸,其氨基酸序列如SEQ ID NO.3。
本发明进一步保护编码上述乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶突变体的基因,其核苷酸序列如SEQ ID NO.4。
本发明进一步保护一种包含上述乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶突变体的基因的工程菌。
作为本发明进一步的优选,所述工程菌为大肠杆菌。
作为本发明进一步的优选,所述工程菌为赖氨酸生产菌株MHZ-0914,保藏编号为CGMCC No.22648。
本发明进一步保护一种上述工程菌在生产赖氨酸中的应用。
本发明具有如下有益效果:将携带乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶变体的大肠杆菌应用于赖氨酸的发酵生产,其赖氨酸产率得到显著提高。乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶变体1和变体2应用于赖氨酸的发酵生产,其赖氨酸积累量及转化率比出发菌均有显著提高,并且在不同的出发菌上均有正效果。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
赖氨酸生产菌株MHZ-0914的保藏编号为CGMCC No.22648,于2021年6月1日保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所,分类命名为:大肠埃希菌Escherichia coli。
模式菌MG1655为MG1655 E.coli Strain,购于上海泽叶生物科技有限公司。
术语解释:
本发明中涉及的基因名称解释如下:Acetylornithinedeacetylase:乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶,缩写为AO。argE:乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶编码基因。
以下实施例中使用的引物序列信息如表1所示:
表1、引物序列信息
引物名称 | 序列(5’-3’) | SEQ ID |
pTF-argE-sgRNA-F | tcctaggtataatactagtgttcaggacttcatcacatggttttagagctagaaatagc | SEQ ID NO.5 |
pTF-argE-sgRNA-R | actagtattatacctaggactgagctagctgtcaag | SEQ ID NO.6 |
argE-P85-UF | cattgctttgcgctgaaaca | SEQ ID NO.7 |
argE-P85S-UR | ggggcataccgatacggtgagttttgatgacggtcgctgg | SEQ ID NO.8 |
argE-P85S-DF | ccagcgaccgtcatcaaaactcaccgtatcggtatgcccc | SEQ ID NO.9 |
argE-P85-DR | ggttagaagcgtcgccaccg | SEQ ID NO.10 |
argE-P85T-UR | ggggcataccgatacggtgacttttgatgacggtcgctgg | SEQ ID NO.11 |
argE-P85T-DF | ggggcataccgatacggtgacttttgatgacggtcgctgg | SEQ ID NO.12 |
argE-P85-F1 | ctaaactcgctgatatccga | SEQ ID NO.13 |
argE-P85-R1 | tcatagccagggatcggcgg | SEQ ID NO.14 |
实施例中未注明具体技术或条件者,按照本领域内的文献所描述的技术或条件,或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
实施例1在模式菌MG1655中引入乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶变体1
(1)pTargetF-N20-argE(P85S)质粒及Donor DNA构建
步骤1:使用pTF-argE-sgRNA-F/pTF-argE-sgRNA-R为引物,以质粒pTargetT为模板(可参见Multigene Editing in the Escherichiacoli Genome via the CRISPR-Cas9System,Jiang Y,ChenB,etal.Appl.EnvironMicrobiol,2015),扩增出带有N20的pTF线性质粒,使用无缝组装Clone Express试剂盒将此线性质粒37℃进行组装,随后转化Trans1-T1感受态细胞,获得pTargetF-N20-argE(P85S),并进行PCR鉴定及测序验证;
步骤2:以MG1655基因组为模板,选用argE-P85-UF/argE-P85S-UR引物对,扩增出上游同源臂①,选用argE-P85S-DF/argE-P85-DR引物对,扩增出下游同源臂②,以①、②为模板,选用argE-P85-UF/argE-P85-DR引物对,扩增出Donor DNA,Donor DNA的作用是提供同源重组片段。
(2)感受态细胞制备及电转化
步骤1:将pCas质粒(可参见Multigene Editing in the EscherichiacoliGenome via the CRISPR-Cas9 System,JiangY,ChenB,etal.Appl.EnvironMicrobiol,2015)电转入模式株MG1655的感受态细胞中(转化方法及感受态制备方法均参照《分子克隆III》)。
步骤2:挑取单菌落于5mL含卡那霉素和终浓度为10mM阿拉伯糖的LB试管中,30℃,200r/min培养至OD 650为0.4后制备电转感受态细胞(感受态制备方法参照《分子克隆III》)。
步骤3:将(1)中构建得到的pTargetF-N20-argE(P85S)质粒和Donor DNA同时电转入带有pCas的感受态细胞中(电转条件:2.5kV,200Ω,25μF),涂布于含壮观霉素和卡那霉素的LB平板上,30℃静置培养至单菌落可见。
(3)重组验证
步骤1:使用引物对argE-P85-F1/argE-P85-R1对上述单菌落进行菌落PCR验证;步骤2:将PCR鉴定正确的菌株用引物对argE-P85-F1/argE-P85-R1扩增,扩增产物送测序,以验证序列的完整性。
(4)质粒的消除
步骤1:挑取测序验证正确的单菌落接种于5mL含卡那霉素及终浓度为0.5mM IPTG的LB试管中,30℃过夜培养后划线于含卡那霉素的LB平板上;
步骤2:挑取单菌落对点于含卡那霉素、壮观霉素LB平板和只含卡那霉素的LB平板上,30℃过夜培养,若在含卡那霉素、壮观霉素的LB平板上不能生长,在卡那霉素的LB平板上生长,表明pTargetF-N20质粒已成功消除;
步骤3:挑取pTargetF-N20质粒成功消除的阳性菌落,接种于无抗LB试管中,42℃培养8h后划线于LB平板上,37℃过夜培养;
步骤4:挑取单菌落对点于含卡那霉素LB平板和无抗LB平板上,若在含卡那霉素的LB平板上不能生长,在无抗LB平板上生长,表明pCas质粒丢失,得到的菌株命名为1655-argE85S。
实施例2在菌株MHZ-0914中引入乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶变体1
实施例2所用到的方法同实施例1,包括工具质粒、Doner DNA、感受态制备和基因重组的筛选方法,区别在于目标改造菌的替换。最后获得的菌株命名为22648-argE85S。
实施例3在模式菌MG1655中引入乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶变体2
构建原理及方法同实施例1,获得含有目的突变的菌株,其乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶第85位氨基酸突变为苏氨酸,获得的菌株命名为1655-argE85T。
(1)pTargetF-N20-argE(P85T)质粒及Donor DNA构建
步骤1:使用pTF-pykA-sgRNA-F/pTF-pykA-sgRNA-R为引物,以质粒pTargetT为模板,扩增出带有N20的pTF线性质粒,使用无缝组装Clone Express试剂盒将此线性质粒37℃进行组装,随后转化Trans1-T1感受态细胞,获得pTargetF-N20-argE(P85T),并进行PCR鉴定及测序验证;该质粒用于提供靶向序列,可与pTargetF-N20-argE(P85S)质粒共用。
步骤2:以MG1655基因组为模板,选用argE-P85-UF/argE-P85T-UR引物对,扩增出上游同源臂①,选用argE-P85T-DF/argE-P85-DR引物对,扩增出下游同源臂②,以①、②为模板,选用argE-P85-UF/argE-P85-DR引物对,扩增出Donor DNA。
(2)感受态细胞制备及电转化
步骤1:制备MG1655的感受态细胞,将pCas质粒电转入该感受态细胞中(转化方法及感受态制备方法均参照《分子克隆III》)。
步骤2:挑取单菌落于5mL含卡那霉素和终浓度为10mM阿拉伯糖的LB试管中,30℃,200r/min培养至OD 650为0.4后制备电转感受态细胞(感受态制备方法参照《分子克隆III》)。
步骤3:将(1)中构建得到的pTargetF-N20-argE(P85T)质粒和Donor DNA同时电转入带有pCas的感受态细胞中(电转条件:2.5kV,200Ω,25μF),涂布于含壮观霉素和卡那霉素的LB平板上,30℃静置培养至单菌落可见。
(3)重组验证
步骤1:使用引物对argE-P85-F1/argE-P85-R1对上述单菌落进行菌落PCR验证;步骤2:将PCR鉴定正确的菌株用引物对argE-P85-F1/argE-P85-R1扩增,扩增产物送测序,以验证序列的完整性。
(4)质粒的消除
步骤1:挑取测序验证正确的单菌落接种于5mL含卡那霉素及终浓度为0.5mM IPTG的LB试管中,30℃过夜培养后划线于含卡那霉素的LB平板上;
步骤2:挑取单菌落对点于含卡那霉素、壮观霉素LB平板和只含卡那霉素的LB平板上,30℃过夜培养,若在含卡那霉素、壮观霉素的LB平板上不能生长,在卡那霉素的LB平板上生长,表明pTargetF-N20质粒已丢失;
步骤3:挑取pTargetF-N20质粒丢失的阳性菌落,接种于无抗LB试管中,42℃培养8h后划线于LB平板上,37℃过夜培养;
步骤4:挑取单菌落对点于含卡那霉素LB平板和无抗LB平板上,若在含卡那霉素的LB平板上不能生长,在无抗LB平板上生长,表明pCas质粒丢失,得到的菌株命名为1655-argE85T。
实施例4在菌株MHZ-0914中引入乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶变体2
实施例4所用到的方法同实施例3,包括工具质粒、Doner DNA、感受态制备和基因重组的筛选方法,区别在于目标改造菌的替换。最后获得的菌株命名为22648-argE85T。
实施例5重组菌株生产赖氨酸的性能
培养基:
活化培养基:蛋白胨10g/L,NaCl 10g/L,酵母粉5g/L,18g/L琼脂粉,调节pH至7.0。
种子培养基:葡萄糖10g/L,硫酸铵4g/L,酵母膏2.0g/L,磷酸二氢钾3g/L,七水硫酸镁0.4g/L,硫酸亚铁0.01g/L,硫酸锰0.01g/L,pH7.0。
发酵培养基:葡萄糖50g/L,硫酸铵25g/L,酵母膏4.0g/L,磷酸二氢钾1.6g/L,七水硫酸镁1.0g/L,硫酸亚铁0.03g/L,硫酸锰0.03g/L,碳酸钙25,pH7.0。
性能验证方法:
(1)种子活化:从冻存管中取待验证菌株,在种子活化培养基上划线活化,37℃培养12h;
(2)种子培养:挑取平板活化种子1环接至装有20mL种子培养基的500mL三角瓶中,33℃,220r/min振荡培养7h;
(3)发酵培养:将2mL种子液接种至装有20mL发酵培养基的500mL三角瓶中,33℃、220r/min振荡培养12h。
(4)取2mL发酵液离心(12000rpm,2min),收集上清液,用HPLC检测重组菌与对照菌发酵液中的L-赖氨酸含量,其检测结果如下表2表示(表中数据为三批次平均值)。
表2重组菌株生产赖氨酸的性能测试
菌株 | OD | L-赖氨酸(g/L) | 消耗底糖(g/L) | 转化率% | 转化率提升幅度 |
MG1655 | 13.2 | 0.2 | 29 | 0.7 | -- |
1655-argE85S | 13.3 | 0.4 | 31 | 1.3 | 85.7% |
1655-argE85T | 13.4 | 0.3 | 25 | 1.2 | 71.4% |
CGMCC No.22648 | 12.5 | 10.5 | 45 | 23.3 | -- |
22648-argE85S | 12.6 | 13.0 | 48 | 27.1 | 16.3% |
22648-argE85T | 12.5 | 12.3 | 47 | 26.2 | 12.4% |
从以上发酵结果可知,携带乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶变体的菌株比出发菌株的赖氨酸积累量有显著提升。二种变体均有正效果,且在不同的出发菌上均有正效果。尤其在低生产水平的菌株上,其影响程度更为显著。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶突变体,其特征在于,所述乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶变体其第85位的脯氨酸突变为丝氨酸,其氨基酸序列如SEQ ID NO.1。
2.编码权利要求1所述乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶突变体的基因,其特征在于,其核苷酸序列如SEQ ID NO.2。
3.一种乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶突变体,其特征在于,所述乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶变体其第85位的脯氨酸突变为苏氨酸,其氨基酸序列如SEQ ID NO.3。
4.编码权利要求3所述乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶突变体的基因,其特征在于,其核苷酸序列如SEQ ID NO.4。
5.一种包含权利要求2或4所述乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶突变体的基因的工程菌。
6.根据权利要求5所述的工程菌,其特征在于,所述工程菌为大肠杆菌。
7.根据权利要求5所述的工程菌,其特征在于,所述工程菌为赖氨酸生产菌株MHZ-0914,保藏编号为CGMCC No.22648。
8.一种如权利要求5-7任一项所述工程菌在生产赖氨酸中的应用。
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