RU2375451C1 - RECOMBINANT PLASMID DNA, CONTAINING GENES OF BUTANOL SYNTHESIS FROM Clostridium acetobutylicum (VERSIONS), RECOMBINANT STRAIN Lactobacillus brevis - PRODUCER OF N-BUTANOL (VERSIONS) AND METHOD FOR MICROBIOLOGICAL SYNTHESIS OF N-BUTANOL - Google Patents

RECOMBINANT PLASMID DNA, CONTAINING GENES OF BUTANOL SYNTHESIS FROM Clostridium acetobutylicum (VERSIONS), RECOMBINANT STRAIN Lactobacillus brevis - PRODUCER OF N-BUTANOL (VERSIONS) AND METHOD FOR MICROBIOLOGICAL SYNTHESIS OF N-BUTANOL Download PDF

Info

Publication number
RU2375451C1
RU2375451C1 RU2008123104/13A RU2008123104A RU2375451C1 RU 2375451 C1 RU2375451 C1 RU 2375451C1 RU 2008123104/13 A RU2008123104/13 A RU 2008123104/13A RU 2008123104 A RU2008123104 A RU 2008123104A RU 2375451 C1 RU2375451 C1 RU 2375451C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
butanol
bacteria
recombinant
lactobacillus brevis
brevis
Prior art date
Application number
RU2008123104/13A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Оксана Валентиновна Березина (RU)
Оксана Валентиновна Березина
Наталья Владимировна Захарова (RU)
Наталья Владимировна Захарова
Владимир Владимирович Зверлов (RU)
Владимир Владимирович Зверлов
Сергей Викторович Яроцкий (RU)
Сергей Викторович Яроцкий
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов" (ФГУП ГосНИИгенетика)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов" (ФГУП ГосНИИгенетика) filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов" (ФГУП ГосНИИгенетика)
Priority to RU2008123104/13A priority Critical patent/RU2375451C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2375451C1 publication Critical patent/RU2375451C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: biotechnologies.
SUBSTANCE: invention is related to biotechnology, in particular to production of n-butanol by means of carbohydrate-containing raw material fermentation with recombinant bacteria. The following plasmid DNA are constructed: pBCS, containing genes of butanol biosynthesis crt, bed, etfB, etfA and hbd from C.acetobutylicum and pTHL-BCS, containing, apart from earlier mentioned, gene thi from C.acetobutylicum. Plasmids may be replicated both in gram-negative (E.coli) and in gram-positive (L.brevis) bacteria. Recombinant strain-producers of n-butanol are produced on the basis of bacteria Lactobacillus brevis: strain Lactobacillus brevis VKPM V-10044, containing plasmid pBCS; strain Lactobacillus brevis VKPM V-10043, containing plasmid pTHL-BCS, which are able to synthesise butanol and resistant to its concentration of 2.0-2.8 wt % in liquid medium. Method is developed for synthesis of butanol on the basis of recombinant bacteria L.brevis, which combine ability to synthesise butanol with resistance to its concentrations in liquid medium of at least 2.0 wt %, which makes it possible to produce butanol using both glucose and xylose as source of carbon in mediums for cultivation.
EFFECT: invention makes it possible to increase synthesis efficiency.
5 cl, 2 tbl, 8 ex

Description

Группа заявляемых изобретений относится к биотехнологии, в частности к производству н-бутанола путем ферментации углеводосодержащего сырья микроорганизмами, и представляет собой рекомбинантные плазмидные ДНК, включающие гены синтеза бутанола из Clostridium acetobutylicum (С.acetobutylicum), рекомбинантные штаммы бактерий Lactobacillus brevis (L. brevis), содержащие эти плазмиды и сочетающие способность синтезировать н-бутанол с устойчивостью к его повышенным концентрациям, а также способ микробиологического синтеза н-бутанола.The group of claimed inventions relates to biotechnology, in particular to the production of n-butanol by fermentation of carbohydrate-containing raw materials by microorganisms, and is a recombinant plasmid DNA, including genes for the synthesis of butanol from Clostridium acetobutylicum (C.acetobutylicum), recombinant bacterial strains of Lactobacillus brevis (L. brevis) containing these plasmids and combining the ability to synthesize n-butanol with resistance to its increased concentrations, as well as the method of microbiological synthesis of n-butanol.

н-Бутанол (бутанол) - четырехуглеродный спирт, широко используемый в различных отраслях промышленности. Он применяется для производства красок, нитроэмалей, пластификаторов, бутилацетата, фенолоформальдегидных смол и присадок к смазочным маслам, используется в качестве растворителя, является экстрагентом для жиров. Благодаря высокому содержанию энергии, низкой летучести, хорошей смешиваемости, высокому октановому числу бутанол рассматривают в качестве перспективного топлива в двигателях внутреннего сгорания.n-Butanol (butanol) is a four-carbon alcohol widely used in various industries. It is used for the manufacture of paints, nitro enamels, plasticizers, butyl acetate, phenol-formaldehyde resins and additives for lubricating oils, is used as a solvent, and is an extractant for fats. Due to its high energy content, low volatility, good miscibility, and high octane, butanol is considered a promising fuel in internal combustion engines.

В промышленности бутанол получают химическим синтезом из пропилена или ацетальдегида, а также путем ферментации углеводосодержащего сырья бактериями рода Clostridium.In industry, butanol is obtained by chemical synthesis from propylene or acetaldehyde, as well as by fermentation of carbohydrate-containing raw materials by bacteria of the genus Clostridium.

Получение бутанола и ацетона с помощью анаэробных бактерий Clostridium acetobutylicum, разработанное Вайцманом в первой половине XX века [1], стало к середине века одним из крупнейших биотехнологических процессов. В настоящее время производство бутанола ферментативным путем с использованием существующих промышленных штаммов бактерий рода Clostridium экономически невыгодно. Одной из главных причин этого является невысокая производительность штаммов, обусловленная их чувствительностью к конечному продукту ферментации - бутанолу.The production of butanol and acetone using the anaerobic bacteria Clostridium acetobutylicum, developed by Weizmann in the first half of the 20th century [1], became one of the largest biotechnological processes by the middle of the century. Currently, butanol production by enzymatic means using existing industrial strains of bacteria of the genus Clostridium is economically disadvantageous. One of the main reasons for this is the low productivity of the strains, due to their sensitivity to the final fermentation product - butanol.

В источниках информации имеются сведения об устойчивых к бутанолу микроорганизмах, представляющих собой природные, либо полученные методами селекции или генной инженерии штаммы. Это бутанол-устойчивые штаммы клостридий, лактобацилл, энтеробактерий [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]. Во всех перечисленных случаях штаммы устойчивы к концентрации бутанола в среде, не превышающей 2,5 мас.%. Среди них нет штаммов, синтезирующих бутанол за счет гетерологичной экспрессии генов метаболического пути синтеза бутанола из других организмов. У природных штаммов Clostridium уровень синтеза бутанола не превышает 1,5 мас.%, после чего происходит ингибирование дальнейшего синтеза конечным продуктом - бутанолом. Штаммы, уровень устойчивости которых к бутанолу не превышает 1,5 мас.%, считают чувствительными к бутанолу.The information sources contain information about microorganisms resistant to butanol, which are natural strains obtained either by selection or genetic engineering. These are butanol-resistant strains of clostridia, lactobacilli, enterobacteria [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]. In all these cases, the strains are resistant to the concentration of butanol in the medium, not exceeding 2.5 wt.%. Among them, there are no strains synthesizing butanol due to heterologous expression of genes for the metabolic pathway for the synthesis of butanol from other organisms. In natural Clostridium strains, the level of butanol synthesis does not exceed 1.5 wt.%, After which further synthesis is inhibited by the end product - butanol. Strains whose level of resistance to butanol does not exceed 1.5 wt.%, Are considered sensitive to butanol.

Ближайшим аналогом заявляемых штаммов является штамм Lactobacillus plantarum PN 0512 [8], который не синтезирует бутанол, но устойчив к концентрации 2 мас.% бутанола в жидкой среде.The closest analogue of the claimed strains is a strain of Lactobacillus plantarum PN 0512 [8], which does not synthesize butanol, but is resistant to a concentration of 2 wt.% Butanol in a liquid medium.

Известны способы микробиологического синтеза бутанола с использованием рекомбинантных штаммов-продуцентов бутанола, полученных на основе бактерий Escherichia coli (E.coli.).Known methods for the microbiological synthesis of butanol using recombinant strains-producers of butanol, obtained on the basis of bacteria Escherichia coli (E. coli.).

Гены тиолазы (thiL), альдегид-алкоголь дегидрогеназы (adhe) и bcs-oпepoна (кротоназы (crt), бутирил-СоА-дегидрогеназы (bcd), субъединиц флавопротеина ETF (etfB и etfA), 3-гидроксибутирил-СоА-дегидрогеназы (hbd)) из С.acetobutylicum клонированы в E.coli с использованием экспрессионного вектора рКК223-3 под контролем конституитивного tac-промотора (Ptac) [12]. Максимальный уровень синтеза бутанола-1200 мг/л, достигают путем анаэробной 60-часовой инкубации предварительно выращенной и сконцентрированной до плотности 20 ОЕ клеточной биомассы в ферментационной среде, содержащей глюкозу. Пределы устойчивости к бутанолу в данной работе не исследованы.Thiolase (thiL) genes, aldehyde-alcohol dehydrogenase (adhe) and bcs-operon (crotonase (crt), butyryl-CoA dehydrogenase (bcd), flavoprotein ETF subunits (etfB and etfA), 3-hydroxybutyryl-CoAb-dehydride )) from C.acetobutylicum were cloned into E. coli using the pKK223-3 expression vector under the control of the constitutive tac promoter (Ptac) [12]. The maximum level of butanol synthesis is 1200 mg / l, achieved by anaerobic 60-hour incubation of pre-grown and concentrated to a density of 20 OE cell biomass in a fermentation medium containing glucose. The limits of resistance to butanol are not investigated in this paper.

В другой работе [13] гены из С.acetobutylicum, существенные для синтеза бутанола, клонированы и экспрессированы в E.coli с использованием совместимых плазмидных векторов pZE12-luc [14] и pACYC184 (New England Biolabs). Сконструированная на основе вектора pZE12-luc плазмида pJCL50 содержит гены тиолазы и алкоголь-альдегид дегидрогеназы под контролем ИПТГ-индуцибельного промотора PLlacO1 бактериальный участок инициации репликации для E. coli ColEl и ген устойчивости к ампициллину. Сконструированная на основе вектора pACYC184 плазмида pJCL60 содержит гены кротоназы, бутирил-КоА-дегидрогеназы, субъединиц флавопротеина ETF и гидроксибутирил-КоА-дегидрогеназы под контролем ИПТГ-индуцибельного промотора PLlacO1 бактериальный участок инициации репликации для E.coli р15А и гены устойчивости к тетрациклину и хлорамфениколу. Благодаря совместимости ColEl и р15А, плазмиды pJCL50 и pJCL60 сосуществуют в клетках Е. coli и обеспечивают синтез бутанола. Плазмида pJCL60 является ближайшим аналогом заявляемых плазмид, но она способна реплицироваться только в E.coli.In another work [13], genes from C.acetobutylicum essential for the synthesis of butanol were cloned and expressed in E. coli using compatible plasmid vectors pZE12-luc [14] and pACYC184 (New England Biolabs). The pJCL50 plasmid constructed on the basis of the pZE12-luc vector contains the thiolase and alcohol-aldehyde dehydrogenase genes under the control of the IPTG inducible promoter P L lacO 1 bacterial replication initiation site for E. coli ColEl and the ampicillin resistance gene. The pJCL60 plasmid constructed on the basis of the pACYC184 vector contains the genes of crotonase, butyryl-CoA dehydrogenase, subunits of the flavoprotein ETF and hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase under the control of the IPTG inducible promoter P L lacO 1 bacterial site for the initiation of T15 and E. coli tetracycline replication and chloramphenicol. Due to the compatibility of ColEl and p15A, plasmids pJCL50 and pJCL60 coexist in E. coli cells and provide butanol synthesis. Plasmid pJCL60 is the closest analogue of the claimed plasmids, but it is able to replicate only in E. coli.

Ближайшим аналогом заявляемого способа является способ микробиологического синтеза бутанола с использованием рекомбинантного штамма Е. coli JCL198, трансформированного плазмидами pJCL50 и pJCL60 (т.е. содержащего гены тиолазы, алкоголь-альдегид дегидрогеназы, кротоназы, бутирил-КоА-дегидрогеназы, субъединиц флавопротеина ETF и гидроксибутирил-КоА-дегидрогеназы из С.acetobutylicum, ответственные за синтез бутанола) и выращенного в микроаэрофильных условиях на среде, содержащей глюкозу. Уровень синтеза бутанола в этом случае не превышает 20 мг/л. Предел устойчивости штамма Е. coli JCL198 к бутанолу - 1,5% [13].The closest analogue of the proposed method is a method of microbiological synthesis of butanol using a recombinant strain of E. coli JCL198 transformed with plasmids pJCL50 and pJCL60 (i.e. containing genes for thiolase, alcohol-aldehyde dehydrogenase, crotonase, butyryl-CoA dehydrogenase, and subunits of flavoprotein flavoprotein -CoA-dehydrogenases from C.acetobutylicum, responsible for the synthesis of butanol) and grown under microaerophilic conditions on a medium containing glucose. The level of butanol synthesis in this case does not exceed 20 mg / L. The limit of resistance of E. coli strain JCL198 to butanol is 1.5% [13].

Более высокий уровень синтеза бутанола (552 мг/л) получен с использованием рекомбинантного штамма Е. coli JCL187, трансформированного плазмидами pJCL60 и pJCL17 (производная плазмиды pJCL50, в которой ген тиолазы из С.acetobutylicum замещен на ген atoQ, кодирующий тиолазу в Е. coli) и дополнительно содержащего делеции собственных генов альдегид-алкоголь дегидрогеназы (adhE), лактат дегидрогеназы (ldhA), фумарат редуктазы (frdBC), анаэробного репрессора пируват декарбоксилазы (fnr) и фосфотрансацетилазы (pta). В качестве субстрата для ферментации использован глицерин [13].A higher level of butanol synthesis (552 mg / L) was obtained using the recombinant E. coli strain JCL187 transformed with the plasmids pJCL60 and pJCL17 (a derivative of the plasmid pJCL50, in which the thiolase gene from C.acetobutylicum was replaced by the atoQ gene encoding the thiolase in E. coli ) and additionally containing deletions of its own genes, aldehyde-alcohol dehydrogenase (adhE), lactate dehydrogenase (ldhA), reductase fumarate (frdBC), anaerobic repressor pyruvate decarboxylase (fnr) and phosphotransacetylase (pta). Glycerin was used as a substrate for fermentation [13].

Задача заявляемой группы изобретений состоит в разработке способа микробиологического синтеза бутанола на основе рекомбинантных бактерий, совмещающих способность синтезировать бутанол с устойчивостью к его повышенным концентрациям.The task of the claimed group of inventions is to develop a method for the microbiological synthesis of butanol based on recombinant bacteria, combining the ability to synthesize butanol with resistance to its increased concentrations.

Задачу решают путем:The problem is solved by:

- конструирования рекомбинантной плазмидной ДНК (плазмиды) pBCS, способной реплицироваться как в грамотрицательных (E.coli), так и в грамположительных (L.brevis) бактериях и содержащей гены биосинтеза бутанола (crt, bcd, et/fB, etfA и hbd) из С.acetobutylicum, контролируемые их собственными регуляторными элементами;- constructing recombinant plasmid DNA (plasmid) pBCS capable of replicating both in gram-negative (E. coli) and gram-positive (L. brevis) bacteria and containing butanol biosynthesis genes (crt, bcd, et / fB, etfA and hbd) from C.acetobutylicum controlled by their own regulatory elements;

- конструирования рекомбинантной плазмидной ДНК (плазмиды) pTHL-BCS, способной реплицироваться как в грамотрицательных (E.coli), так и в грамположительных (L.brevis) бактериях и содержащей гены биосинтеза бутанола (thl, crt, bcd, etfB, etfA и hbd) из С.acetobutylicum, контролируемые их собственными регуляторными элементами;- constructing recombinant plasmid DNA (plasmid) pTHL-BCS, capable of replicating both in gram-negative (E. coli) and gram-positive (L. brevis) bacteria and containing butanol biosynthesis genes (thl, crt, bcd, etfB, etfA and hbd ) from C.acetobutylicum controlled by their own regulatory elements;

- конструирования рекомбинантного штамма бактерий L.brevis ВКПМ 5563/pBCS, способного синтезировать бутанол и устойчивого к его концентрации 2,0 мас.% в жидкой среде;- designing a recombinant strain of bacteria L.brevis VKPM 5563 / pBCS capable of synthesizing butanol and resistant to its concentration of 2.0 wt.% in a liquid medium;

- конструирования рекомбинантного штамма бактерий L.brevis ВКПМ 5563/pTHL-BCS, способного синтезировать бутанол и устойчивого к его концентрации 2,8 мас.% в жидкой среде;- designing a recombinant strain of bacteria L.brevis VKPM 5563 / pTHL-BCS, capable of synthesizing butanol and resistant to its concentration of 2.8 wt.% in a liquid medium;

- разработки способа микробиологического синтеза бутанола на основе рекомбинантных бактерий L.brevis, совмещающих способность синтезировать бутанол с устойчивостью к его концентрациям в жидкой среде не менее 2,0 мас.%.- development of a method for the microbiological synthesis of butanol based on recombinant bacteria L.brevis, combining the ability to synthesize butanol with a resistance to its concentrations in a liquid medium of at least 2.0 wt.%.

Процесс получения заявляемых штаммов состоит из несколько этапов.The process of obtaining the claimed strains consists of several stages.

Этап 1. Конструирование рекомбинантных плазмидных ДНК pBCS и pTHL-BCS, содержащих гены из С.acetobutylicum, ответственные за синтез бутанола.Step 1. Construction of recombinant plasmid DNA pBCS and pTHL-BCS containing genes from C. acetobutylicum responsible for the synthesis of butanol.

Плазмиду pBCS конструируют на основе шаттл-вектора pHYc, способного реплицироваться в широком круге грамположительных и грамотрицательных бактерий [15]. Вектор pHYc содержит ген bla, обеспечивающий устойчивость штаммов Е. coli к ампициллину; ген cmr, обеспечивающий устойчивость лактобацилл к хлорамфениколу; участки инициации репликации для грамотрицательных (ori-177) и грамположительных (ori-pAMal) бактерий.The plasmid pBCS is constructed on the basis of the shuttle vector pHYc, which can replicate in a wide range of gram-positive and gram-negative bacteria [15]. The pHYc vector contains the bla gene, which provides resistance of E. coli strains to ampicillin; cmr gene, which provides resistance of lactobacilli to chloramphenicol; replication initiation sites for gram-negative (ori-177) and gram-positive (ori-pAMal) bacteria.

Плазмида pBCS наряду с генами вектора pHYc содержит промотор, кодирующую область и терминатор транскрипции bcs-оперона из С.acetobutylicum. Кодирующая область bcs-оперона включает следующие гены, ответственные за синтез бутанола: кротоназы (crt), бутирил-СоА-дегидрогеназы (bcd), субъединиц флавопротеина ETF (etfB и etfA) и 3-гидроксибутирил-СоА-дегидрогеназы (hbd).Plasmid pBCS, along with the genes of the pHYc vector, contains a promoter that encodes a region and transcription terminator of the bcs operon from C.acetobutylicum. The coding region of the bcs-operon includes the following genes responsible for the synthesis of butanol: crotonase (crt), butyryl-CoA dehydrogenase (bcd), subunits of flavoprotein ETF (etfB and etfA) and 3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase (hbd).

Плазмида pTHL-BCS сконструирована на основе плазмиды pBCS и содержит помимо ранее перечисленных генов ген тиолазы (thl) из С.acetobutylicum.Plasmid pTHL-BCS was constructed on the basis of plasmid pBCS and contains, in addition to the previously listed genes, the thiolase (thl) gene from C.acetobutylicum.

Этап 2. Трансформация плазмидами pBCS или pTHL-BCS штамма-реципиента.Step 2. Transformation with plasmids pBCS or pTHL-BCS of the recipient strain.

В качестве штамма-реципиента выбран штамм ВКПМ 5563, относящийся к виду бактерий L. brevis, природные представители этого вида не синтезируют бутанол, но способны синтезировать другой спирт - этанол. В отличие от остальных лактобацилл бактерии L.brevis способны утилизировать не только глюкозу, но и ксилозу, то есть имеют более широкий спектр ферментируемых субстратов [16].The strain VKPM 5563, which belongs to the bacterial species L. brevis, was selected as the recipient strain. Natural representatives of this species do not synthesize butanol, but are able to synthesize another alcohol - ethanol. Unlike other lactobacilli, L.brevis bacteria can utilize not only glucose but also xylose, that is, they have a wider spectrum of fermentable substrates [16].

Процесс трансформации осуществляют методом электропорации [16]. В результате получают рекомбинантные штаммы L.brevis ВКПМ 5563/pBCS и L.brevis ВКПМ 5563/pTHL-BCS, способные синтезировать бутанол.The transformation process is carried out by electroporation [16]. As a result, recombinant strains of L. brevis VKPM 5563 / pBCS and L.brevis VKPM 5563 / pTHL-BCS capable of synthesizing butanol are obtained.

Этап 3. Адаптация штаммов L.brevis к повышенным концентрациям бутанола.Stage 3. Adaptation of L.brevis strains to increased concentrations of butanol.

Штаммы L. brevis адаптируют к повышенным концентрациям бутанола путем ряда последовательных пересевов с постепенным увеличением концентрации бутанола в среде.The strains of L. brevis adapt to elevated concentrations of butanol by a series of successive passages with a gradual increase in the concentration of butanol in the medium.

Клетки выращивают в течение 2-3 дней при 25°С на среде MRS следующего состава, мас.%:Cells are grown for 2-3 days at 25 ° C on MRS medium of the following composition, wt.%:

пептонpeptone 1one мясной экстрактmeat extract 1one дрожжевой экстрактyeast extract 0,50.5 глюкозаglucose 22 твин 80twin 80 0,10.1 К2НРO4 K 2 HPO 4 0,20.2 ацетат NaNa acetate 0,50.5 цитрат (NH4)2 citrate (NH 4 ) 2 0,20.2 MgSO4×7H2OMgSO 4 × 7H 2 O 0,020.02 MnSO4×H2OMnSO 4 × H 2 O 0,0050.005 водаwater остальное,rest,

дополнительно содержащей бутанол. Начальная концентрация бутанола в среде - 0,4 мас.%. С каждым последующим пересевом концентрацию бутанола увеличивают на 0,4 мас.%.additionally containing butanol. The initial concentration of butanol in the medium is 0.4 wt.%. With each subsequent reseeding, the concentration of butanol is increased by 0.4 wt.%.

В результате проведения работы в соответствии с перечисленными этапами получены два устойчивых к бутанолу штамма, каждый из которых содержит один из двух наборов генов биосинтеза бутанола из С.acetobutylicum:As a result of the work in accordance with the above steps, two butanol-resistant strains were obtained, each of which contains one of two sets of butanol biosynthesis genes from C.acetobutylicum:

L.brevis ВКПМ 5563/pBCS депонирован во Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов как Lactobacillus brevis ВКПМ В-10044;L.brevis VKPM 5563 / pBCS is deposited in the All-Russian collection of industrial microorganisms as Lactobacillus brevis VKPM B-10044;

L.brevis ВКПМ 5563/pTHL-BCS депонирован во Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов как Lactobacillus brevis ВКПМ В-10043.L.brevis VKPM 5563 / pTHL-BCS is deposited in the All-Russian collection of industrial microorganisms as Lactobacillus brevis VKPM B-10043.

Заявляемые штаммы ВКПМ В-10043 и ВКПМ В-10044 имеют общие морфологические и физиолого-биохимические признаки, но различаются генотипически.The inventive strains VKPM B-10043 and VKPM B-10044 have common morphological and physiological-biochemical characteristics, but differ genotypically.

Морфологические признаки.Morphological signs.

Клетки прямые, палочковидные, подвижные, грамположительные, неспорообразующие. При выращивании в течение 24-72 час при температуре 25-30°С на агаризованных средах (MRS, MSS и молочной) колонии шероховатые, круглые, матовые, творожисто-белые, край неровный.Cells are straight, rod-shaped, motile, gram-positive, non-spore-forming. When grown for 24-72 hours at a temperature of 25-30 ° C on agar media (MRS, MSS and dairy), the colony is rough, round, matte, curdled white, the edge is uneven.

Состав среды MSS, мас.%:The composition of the medium MSS, wt.%:

глюкозаglucose 66 дрожжевой экстрактyeast extract 0,50.5 ацетат NH4 NH 4 acetate 0,30.3 КН2РO4 KN 2 PO 4 0,10.1 MgSO4×7H2OMgSO 4 × 7H 2 O 0,10.1 K2НРO4 K 2 HPO 4 0,080.08 цистеин - HClcysteine - HCl 0,050.05 FeSO4×7H2OFeSO 4 × 7H 2 O 0,0050.005 пара-аминобензойная кислотаpara-aminobenzoic acid 0,0010.001 водаwater остальноеrest

Состав молочной среды, мас.%:The composition of the dairy medium, wt.%:

стерильное обезжиренное молокоsterile skim milk 1010 натрий лимоннокислыйsodium citrate 1one дрожжевой экстрактyeast extract 22 глюкозаglucose 1one водаwater остальноеrest

Физиолого-биохимические признакиPhysiological and biochemical characteristics

Оба штамма растут при температуре от 20 до 40°С (оптимум 30°С, рН 4.0-6.0) В качестве источника углерода утилизируют глюкозу, фруктозу, ксилозу и арабинозу. Плохо растут на мальтозе и галактозе. Не усваивают сахарозу и целлобиозу. В качестве источника азота используют минеральный азот в аммонийной форме, а также органический азот в виде пептона, аминокислот.Both strains grow at a temperature of 20 to 40 ° C (optimum 30 ° C, pH 4.0-6.0). Glucose, fructose, xylose and arabinose are utilized as a carbon source. They grow poorly on maltose and galactose. Do not assimilate sucrose and cellobiosis. Mineral nitrogen in ammonium form, as well as organic nitrogen in the form of peptone, amino acids, are used as a source of nitrogen.

Принадлежность заявляемых штаммов к виду L.brevis подтверждена на основе анализа нуклеотидной последовательности 16S рДНК.The belonging of the claimed strains to the species L.brevis is confirmed based on the analysis of the nucleotide sequence of 16S rDNA.

Штамм L.brevis ВКПМ В-10044 синтезирует бутанол и устойчив к концентрациям бутанола 2,0 мас.% в жидкой среде.The strain L.brevis VKPM B-10044 synthesizes butanol and is resistant to butanol concentrations of 2.0 wt.% In a liquid medium.

Штамм L.brevis ВКПМ В-10043 синтезирует бутанол и устойчив к концентрациям бутанола 2,8 мас.% в жидкой среде.The strain L.brevis VKPM B-10043 synthesizes butanol and is resistant to butanol concentrations of 2.8 wt.% In a liquid medium.

Генотипические признакиGenotypic traits

Оба штамма устойчивы к хлорамфениколу и канамицину.Both strains are resistant to chloramphenicol and kanamycin.

Штамм L.brevis ВКПМ В-10044 содержит на плазмиде pBCS гены биосинтеза бутанола (crt, bсd, etfB, etfA и hbd) из С.acetobutylicumThe strain L.brevis VKPM B-10044 contains on the plasmid pBCS genes for biosynthesis of butanol (crt, bcd, etfB, etfA and hbd) from C.acetobutylicum

Штамм L.brevis ВКПМ В-10043 содержит на плазмиде pTHL-BCS гены биосинтеза бутанола (thl, crt, bcd, etfB, etfA и hbd) из С.acetobutylicum.Strain L.brevis VKPM B-10043 contains on the plasmid pTHL-BCS genes for biosynthesis of butanol (thl, crt, bcd, etfB, etfA and hbd) from C.acetobutylicum.

Способ в общем видеThe method in General

Посевной материал, представляющий собой клетки рекомбинантного штамма-продуцента, подготавливают путем инкубации в течение 24-48 час при температуре 20-30°С на среде MRS, содержащей 10 мг/мл хлорамфеникола и 12,5 мг/мл канамицина. Затем выросшую культуру переносят в соотношении 1:50 (по объему) в модифицированную среду MRS, содержащую 4% глюкозы, 10 мг/мл хлорамфеникола и 12,5 мг/мл канамицина.Inoculum, which is a cell of a recombinant producer strain, is prepared by incubation for 24-48 hours at a temperature of 20-30 ° C on MRS medium containing 10 mg / ml chloramphenicol and 12.5 mg / ml kanamycin. The grown culture is then transferred at a ratio of 1:50 (by volume) to a modified MRS medium containing 4% glucose, 10 mg / ml chloramphenicol and 12.5 mg / ml kanamycin.

Процесс культивирования ведут в 50 мл флаконах в течение 24-48 час при температуре 20-30°С, в микроаэрофильных условиях, которые достигают за счет заполнения флаконов доверху средой. Количество синтезированного бутанола определяют методом газовой хроматографии в пробах, отобранных из культуральной жидкости после удаления клеток центрифугированием при 5000g. Уровень синтеза бутанола заявляемым способом достигает 300 мг/л, что в 10-15 раз превышает таковой у ближайшего аналога.The cultivation process is carried out in 50 ml vials for 24-48 hours at a temperature of 20-30 ° C, under microaerophilic conditions, which are achieved by filling the vials to the top of the medium. The amount of synthesized butanol is determined by gas chromatography in samples taken from the culture fluid after removal of the cells by centrifugation at 5000 g. The synthesis level of butanol by the claimed method reaches 300 mg / l, which is 10-15 times higher than that of the closest analogue.

Изобретение проиллюстрировано следующими фигурами графических изображений.The invention is illustrated by the following figures of graphic images.

Фиг.1. Схема рекомбинантной плазмидной ДНК pBCS.Figure 1. Scheme of recombinant plasmid DNA pBCS.

Фиг.2. Схема рекомбинантной плазмидной ДНК pTHL-BCS.Figure 2. Scheme of recombinant plasmid DNA pTHL-BCS.

Изобретение подтверждено следующими примерами.The invention is confirmed by the following examples.

Пример 1. Клонирование генов бактерий С.acetobutylicum, ответственных за синтез бутанолаExample 1. Cloning of the bacteria genes C.acetobutylicum responsible for the synthesis of butanol

В синтезе бутанола бактериями С.acetobutylicum принимают участие следующие ферменты:The following enzymes take part in the synthesis of butanol by C.acetobutylicum bacteria:

1. Тиолаза катализирует превращение двух молекул ацетил-КоА в ацетоацетил-КоА и КоА.1. Thiolase catalyzes the conversion of two molecules of acetyl-CoA to acetoacetyl-CoA and CoA.

2. 3-Гидроксибутирил-КоА-дегидрогеназа катализирует превращение ацетоацетил-КоА в 3-гидроксибутирил-КоА с использованием NADH (NADH-никотинамидадениндинуклеотид, восстановленная форма) в качестве кофактора.2. 3-Hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase catalyzes the conversion of acetoacetyl-CoA to 3-hydroxybutyryl-CoA using NADH (NADH-nicotinamide adenine dinucleotide, reduced form) as a cofactor.

3. Кротоназа катализирует превращение 3-гидроксибутирил-КоА в кротонил-КоА с высвобождением Н2О.3. Crotonase catalyzes the conversion of 3-hydroxybutyryl-CoA to crotonyl-CoA with the release of H 2 O.

4. Бутирил-КоА дегидрогеназа с помощью состоящего из двух субъединиц белка электронного транспорта ETF катализирует превращение кротонил-КоА в бутирил-КоА.4. Butyryl-CoA dehydrogenase, using the ETF electron transport protein consisting of two subunits, catalyzes the conversion of crotonyl-CoA to butyryl-CoA.

5. Бутиральдегид дегидрогеназа осуществляет превращение бутирил-КоА в бутиральдегид и КоА, реакция является NADH-зависимой.5. Butyraldehyde dehydrogenase converts butyryl-CoA to butyraldehyde and CoA, the reaction is NADH-dependent.

6. Бутанол дегидрогеназа катализирует превращение бутиральдегида в бутанол с использованием NADH в качестве кофактора.6. Butanol dehydrogenase catalyzes the conversion of butyraldehyde to butanol using NADH as a cofactor.

Гены C.acetobutylicum, кодирующие кротоназу, бутирил-КоА-дегидрогеназу, субъединицы флавопротеина ETF и 3-гидроксибутирил-КоА-дегидрогеназу организованы в bcs-оперон.The genes C.acetobutylicum encoding crotonase, butyryl-CoA dehydrogenase, subunits of flavoprotein ETF and 3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase are organized into a bcs-operon.

Праймеры для амплификации генов тиолазы и bcs-оперона конструируют на основе анализа полного генома С.acetobutylicum ATCC 824 (Табл.1).Primers for amplification of the thiolase and bcs-operon genes are designed based on the analysis of the complete C.acetobutylicum ATCC 824 genome (Table 1).

Таблица 1Table 1

Последовательности праймеров для амплификации генов тиолазы и bcs-оперона из С.acetobutylicum.Primer sequences for amplification of the thiolase and bcs-operon genes from C.acetobutylicum.

ГеныGenes ПраймерыPrimers Последовательность 5'→3'Sequence 5 '→ 3' bcs-оперон: crt, bcd, etfB, etfA, hbdbcs operon: crt, bcd, etfB, etfA, hbd Bcs_for
Bcs_rev
Bcs_for
Bcs_rev
ATCCTTCTTTTCTTCTATCATATC
AGCCGAGATTAGTACGGTAATG
ATCCTTCTTTTCTTCTATCATATC
AGCCGAGATTAGTACGGTAATG
thlthl Thl_for
Thl_rev
Thl_for
Thl_rev
TTTGGAGTATTAAAGGATAGAC
TTAGCCTCATAATCTTTCAAATG
TTTGGAGTATTAAAGGATAGAC
TTAGCCTCATAATCTTTCAAATG

Все стандартные генно-инженерные и микробиологические манипуляции проводят по известным методикам [17, 18,19].All standard genetic engineering and microbiological manipulations are carried out according to known methods [17, 18,19].

Штамм С.acetobutylicum 7 (Прикладная биохимия и микробиология. 2008. Т. 44, №1, с.49-55) получен из музея Московского государственного университета. Штамм хранят и поддерживают путем периодического пересева в среде MSS.Strain C.acetobutylicum 7 (Applied Biochemistry and Microbiology. 2008. T. 44, No. 1, pp. 49-55) was obtained from the Museum of Moscow State University. The strain is stored and maintained by periodic reseeding in an MSS environment.

Среду MSS с внесенным посевным материалом штамма С.acetobutylicum 7 в соотношении 50:1 (по объему) пастеризуют в водяной бане в течение 20 мин при 80°С и инкубируют анаэробно при 37°С в течение 24 час. Клетки отделяют центрифугированием при 5000g. Из полученной биомассы выделяют геномную ДНК.The MSS medium with the inoculum of C.acetobutylicum 7 strain inoculated at a ratio of 50: 1 (by volume) was pasteurized in a water bath for 20 min at 80 ° C and incubated anaerobically at 37 ° C for 24 hours. Cells are separated by centrifugation at 5000g. Genomic DNA is isolated from the resulting biomass.

Гены тиолазы и bcs оперона амплифицируют с использованием специфических праймеров (табл.1), геномной ДНК С.acetobutylicum 7 и KOD - полимеразы повышенной точности (Novagen). В результате получают ПЦР-фрагменты: THL, содержащий ген тиолазы и на 99% гомологичный фрагменту полного генома С.acetobutylicum ATCC 824, расположенному между 3005706 и 3007561 п.н. и BCS, содержащий гены bcs-оперона и на 99% гомологичный фрагменту полного генома С.acetobutylicum ATCC 824, расположенному между 2831629 и 2836638 п.н. (http://www.ncbi.nlm.nih.gov). Полученные ПЦР-фрагменты клонируют в ТОРО-вектор (Invitrogen). Правильность клонирования подтверждают секвенированием каждой из рекомбинантных вставок. В конечном итоге получают рекомбинантные плазмиды: pTOPO-THL, содержащую ген тиолазы, и рТОРО-BCS, содержащую гены bcs оперона. Активности ферментов синтеза бутанола определяют общепринятыми методами [20, 21, 22]. Уровни удельной активности нативных ферментов, ответственных за синтез бутанола у С.acetobutylicum, и соответствующих ферментов у рекомбинантных штаммов E.coli подтверждают экспрессию генов из C.acetobutylicum в E.coli (Табл.2).The thiolase and bcs operon genes are amplified using specific primers (Table 1), the genomic DNA of C.acetobutylicum 7 and KOD polymerase of increased accuracy (Novagen). The result is PCR fragments: THL containing the thiolase gene and 99% homologous to the fragment of the complete genome of C.acetobutylicum ATCC 824, located between 3005706 and 3007561 bp and BCS containing the genes of the bcs-operon and 99% homologous to the fragment of the complete genome of C.acetobutylicum ATCC 824, located between 2831629 and 2836638 bp (http://www.ncbi.nlm.nih.gov). The resulting PCR fragments are cloned into a TOPO vector (Invitrogen). The correctness of cloning is confirmed by sequencing of each of the recombinant inserts. Ultimately, recombinant plasmids are obtained: pTOPO-THL containing the thiolase gene, and pTOPO-BCS containing the operon bcs genes. The activity of butanol synthesis enzymes is determined by conventional methods [20, 21, 22]. Levels of specific activity of native enzymes responsible for butanol synthesis in C. acetobutylicum and corresponding enzymes in recombinant E. coli strains confirm gene expression from C.acetobutylicum in E. coli (Table 2).

Таблица 2table 2

Удельная активность (Ед/мг белка, мин) нативных ферментов, ответственных за синтез бутанола у C.acetobutylicum, и соответствующих ферментов у рекомбинантных штаммовThe specific activity (U / mg protein, min) of the native enzymes responsible for the synthesis of butanol in C.acetobutylicum, and the corresponding enzymes in recombinant strains

ФерментEnzyme Нативные ферменты С.acetobutylicumNative C.acetobutylicum Enzymes Нативные ферменты E.coliNative E.coli Enzymes Ферменты у рекомбинантных штаммов E.coliEnzymes in Recombinant E. coli Strains тиолазаthiolase 15,515,5 -- 15,215,2 3-гидроксибутирил-КоА-деги-
дрогеназа
3-hydroxybutyryl-CoA-de-
drogenase
10,210,2 -- 10,710.7
КротоназаCrotonase 86,886.8 -- 207207

Пример 2. Конструирование рекомбинантной плазмидной ДНК pBCSExample 2. Construction of recombinant plasmid DNA pBCS

С целью экспрессии генов синтеза бутанола из бактерий C.acetobutylicum в бактериях L.brevis конструируют плазмиду pBCS (содержит bcs-оперон) на основе шаттл-вектора pHYc.In order to express genes for the synthesis of butanol from C.acetobutylicum bacteria in L. brevis bacteria, the pBCS plasmid (containing the bcs-operon) is constructed on the basis of the pHYc shuttle vector.

Вектор pHYc и плазмиду pTOPO-BCS (пример 1) обрабатывают рестриктазами BamHI и XbaI. Фрагмент плазмиды pTOPO-BCS, содержащий bcs-оперон, лигируют с более крупным XbaI/BamHI фрагментом вектора pHYc, полученной лигазной смесью трансформируют клетки E.coli. В результате получают рекомбинантный штамм Е. coli/pBCS, содержащий плазмиду pBCS. Первичную структуру плазмиды pBCS подтверждают секвенированием. Штамм Е. coli/pBCS не синтезирует бутанол, несмотря на активность ферментов bсs-оперона.The pHYc vector and plasmid pTOPO-BCS (Example 1) are digested with restriction enzymes BamHI and XbaI. A fragment of the pTOPO-BCS plasmid containing the bcs-operon is ligated with a larger XbaI / BamHI fragment of the pHYc vector, the E. coli cells are transformed with the ligase mixture. The result is a recombinant strain of E. coli / pBCS containing the plasmid pBCS. The primary structure of the plasmid pBCS is confirmed by sequencing. Strain E. coli / pBCS does not synthesize butanol, despite the activity of the enzymes bcs-operon.

Рекомбинантная плазмидная ДНК pBCS (SEQ ID NO 1) имеет размер 9954 пары нуклеотидов (п.н.) и содержит гены биосинтеза бутанола (crt, bcd, etfB, etfA и hbd) из С.acetobutylicum, регулируемые их собственными промотором (р) и терминатором (t); ген bla, обеспечивающий устойчивость Е. coli к ампициллину (Ар); ген cmr, обеспечивающий устойчивость L.brevis к хлорамфениколу (Cm); участки инициации репликации для грамотрицательных (ori-177) и грамположительных (ori-pAMa1) бактерий (фиг.1).PBCS recombinant plasmid DNA (SEQ ID NO 1) has a size of 9954 nucleotide pairs (bp) and contains butanol biosynthesis genes (crt, bcd, etfB, etfA and hbd) from C.acetobutylicum regulated by their own promoter (p) and terminator (t); bla gene, which provides E. coli resistance to ampicillin (Ap); cmr gene providing L.brevis resistance to chloramphenicol (Cm); replication initiation sites for gram-negative (ori-177) and gram-positive (ori-pAMa1) bacteria (Fig. 1).

Пример 3. Конструирование рекомбинантной плазмидной ДНК pTHL-BCSExample 3. Construction of recombinant plasmid DNA pTHL-BCS

С целью экспрессии расширенного набора генов синтеза бутанола из бактерий C.acetobutylicum в бактериях L.brevis на основе шаттл-вектора pHYc конструируют плазмиду pTHL-BCS, содержащую bcs-оперон и ген тиолазы.In order to express an expanded set of genes for the synthesis of butanol from C.acetobutylicum bacteria in L.brevis bacteria, the plasmid pTHL-BCS containing the bcs-operon and the thiolase gene is constructed on the basis of the pHYc shuttle vector.

Плазмиду pTOPO-THL (пример 1) обрабатывают рестриктазой EcoRI. Фрагмент ДНК, содержащий ген тиолазы, обрабатывают фрагментом Кленова и лигируют с плазмидой pBCS, предварительно линеаризованной по сайту рестриктазы SmaI. Лигазной смесью трансформируют клетки E.coli. В результате получают рекомбинантный штамм Е. coli/pTHL-BCS, содержащий плазмиду pTHL-BCS и синтезирующий бутанол в количестве 10 мг/л. Первичную структуру плазмиды pTHL-BCS подтверждают секвенированием.Plasmid pTOPO-THL (Example 1) was digested with EcoRI restriction enzyme. The DNA fragment containing the thiolase gene is treated with a Klenov fragment and ligated with the plasmid pBCS previously linearized at the SmaI restriction site. The ligase mixture transform E. coli cells. The result is a recombinant strain of E. coli / pTHL-BCS containing the plasmid pTHL-BCS and synthesizing butanol in an amount of 10 mg / L. The primary structure of plasmid pTHL-BCS is confirmed by sequencing.

Рекомбинантная плазмидная ДНК pTHL-BCS (SEQ ID NO 2) имеет размер 11787 п.н. и содержит гены биосинтеза бутанола (crt, bcd, etfB, etfA и hbd) из С.acetobutylicum, регулируемые их собственными промотором (р) и терминатором (t); ген тиолазы из С acetobutylicum, регулируемый собственными промотором (р) и терминатором (t); ген bla, обеспечивающий устойчивость Е. coli к ампициллину (Ар); ген cmr, обеспечивающий устойчивость L.brevis к хлорамфениколу (Cm); участки инициации репликации для грамотрицательных (ori-177) и грамположительных (ori-pAMal)Recombinant plasmid DNA pTHL-BCS (SEQ ID NO 2) has a size of 11787 bp and contains genes for butanol biosynthesis (crt, bcd, etfB, etfA and hbd) from C.acetobutylicum, regulated by their own promoter (p) and terminator (t); thiolase gene from C acetobutylicum, regulated by its own promoter (p) and terminator (t); bla gene, which provides E. coli resistance to ampicillin (Ap); cmr gene providing L.brevis resistance to chloramphenicol (Cm); replication initiation sites for gram-negative (ori-177) and gram-positive (ori-pAMal)

бактерий (фиг.2).bacteria (figure 2).

Пример 4. Получение заявляемого штамма L.brevis ВКПМ В-10044Example 4. Obtaining the inventive strain of L.brevis VKPM B-10044

Штамм L.brevis ВКПМ 5563 (не синтезирующий бутанол) получен из Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов. Чувствительность штамма ВКПМ 5563 к действию хлорамфеникола в концентрациях, превышающих 5 мг/л, и устойчивость к действию канамицина в концентрациях, не превышающих 15 мг/л, установлены с помощью тестирования на MRS-агаре, содержащем соответствующие антибиотики.The strain L.brevis VKPM 5563 (not synthesizing butanol) was obtained from the All-Russian collection of industrial microorganisms. The sensitivity of strain VKPM 5563 to the action of chloramphenicol in concentrations exceeding 5 mg / L, and resistance to the action of kanamycin in concentrations not exceeding 15 mg / L were established by testing on MRS agar containing the appropriate antibiotics.

С целью получения рекомбинантного штамма клетки L.brevis ВКПМ 5563 трансформируют плазмидой pBCS методом электропорации. Селекцию трансформантов проводят на MRS-агаре, содержащем одновременно хлорамфеникол (10 мг/л) и канамицин (12,5 мг/л). Наличие плазмиды подтверждают методом полимеразной цепной реакции. Затем рекомбинантный штамм L.brevis ВКПМ 5563/pBCS модифицируют путем адаптации к повышенным концентрациям бутанола в среде. В результате получают заявляемый штамм L.brevis ВКПМ В-10044, способный синтезировать бутанол (примеры 6,7) и устойчивый к концентрации 2 мас.% бутанола в жидкой среде, что соответствует уровню устойчивости к бутанолу ближайшего аналога.In order to obtain a recombinant strain of L.brevis cells, VKPM 5563 was transformed with pBCS plasmid by electroporation. The selection of transformants is carried out on MRS agar containing both chloramphenicol (10 mg / l) and kanamycin (12.5 mg / l). The presence of the plasmid is confirmed by polymerase chain reaction. Then, the recombinant strain L.brevis VKPM 5563 / pBCS is modified by adaptation to increased concentrations of butanol in the medium. The result is the claimed strain of L.brevis VKPM B-10044, capable of synthesizing butanol (examples 6.7) and resistant to a concentration of 2 wt.% Butanol in a liquid medium, which corresponds to the level of resistance to butanol of the closest analogue.

Пример 5. Получение заявляемого штамма L.brevis ВКПМ В-10043Example 5. Obtaining the inventive strain of L.brevis VKPM B-10043

Получение штамма осуществляют, как в примере 4, но вместо плазмиды pBCS используют плазмиду pTHL-BCS. В результате трансформации с последующей модификацией получают заявляемый штамм L.brevis ВКПМ В-10043, способный синтезировать бутанол (пример 8) и устойчивый к концентрации 2,8 мас.% бутанола в жидкой среде, что в 1,4 раза превышает уровень устойчивости к бутанолу ближайшего аналога.The strain is obtained as in Example 4, but the plasmid pTHL-BCS is used instead of the plasmid pBCS. As a result of transformation with subsequent modification, the inventive strain L.brevis VKPM B-10043 is obtained, capable of synthesizing butanol (Example 8) and resistant to a concentration of 2.8 wt.% Butanol in a liquid medium, which is 1.4 times higher than the level of resistance to butanol the closest analogue.

Пример 6. Синтез бутанола с использованием штамма L.brevis ВКПМ В-10044 на среде с глюкозойExample 6. Synthesis of butanol using strain L.brevis VKPM B-10044 on a medium with glucose

Посевной материал выращивают путем инкубации клеток штамма L.brevis ВКПМ В-10044 при температуре 25°С в течение 48 час на среде MRS, содержащей 10 мг/мл хлорамфеникола и 12,5 мг/мл канамицина.The seed is grown by incubating cells of the L. brevis strain VKPM B-10044 at a temperature of 25 ° C for 48 hours on MRS medium containing 10 mg / ml chloramphenicol and 12.5 mg / ml kanamycin.

Модифицированную среду MRS, содержащую 4% глюкозы, 10 мг/мл хлорамфеникола и 12,5 мг/мл канамицина, засевают подготовленным посевным материалом и ведут процесс ферментации в микроаэрофильных условиях, в течение 48 час при температуре 25°С. Уровень синтеза бутанола составляет 300 мг/л.The modified MRS medium containing 4% glucose, 10 mg / ml chloramphenicol and 12.5 mg / ml kanamycin is seeded with prepared seed and the fermentation process is carried out under microaerophilic conditions for 48 hours at 25 ° C. The level of butanol synthesis is 300 mg / L.

Пример 7. Синтез бутанола с использованием штамма L.brevis ВКПМ В-10044 на среде с ксилозойExample 7. Synthesis of butanol using strain L.brevis VKPM B-10044 on a medium with xylose

Процесс ведут, как в примере 6, но с использованием модифицированной среды MRS, содержащей 4% ксилозы. Уровень синтеза бутанола составляет 100 мг/л.The process is conducted, as in example 6, but using a modified MRS medium containing 4% xylose. The level of butanol synthesis is 100 mg / L.

Пример 8. Синтез бутанола с использованием штамма L.brevis ВКПМ В-10043 на среде с глюкозойExample 8. The synthesis of butanol using strain L.brevis VKPM B-10043 on a medium with glucose

Процесс ведут, как в примере 6, но с использованием штамма L.brevis ВКПМ В-10043.The process is conducted, as in example 6, but using strain L.brevis VKPM B-10043.

Уровень синтеза бутанола на среде MRS, содержащей 4% глюкозы, составляет 200 мг/л.The level of butanol synthesis in MRS medium containing 4% glucose is 200 mg / L.

Таким образом, в заявляемых результатах впервые продемонстрирована возможность получения бактерий Lactobacillus brevis, синтезирующих бутанол, устойчивых к его повышенным концентрациям, а в средах для культивирования в качестве источников углерода использующих как глюкозу, так и ксилозу.Thus, the claimed results for the first time demonstrated the possibility of obtaining bacteria Lactobacillus brevis, synthesizing butanol, resistant to its increased concentrations, and in culture media as sources of carbon using both glucose and xylose.

Штаммы L. brevis/pBCS и L. brevis/pTHL-BCS получены путем комбинации генно-инженерных и адаптационных методов. Для синтеза бутанола бактериями L.brevis достаточно экспрессии следующего набора генов из C.acetobutylicum: crt (кротоназы), bcd (бутирил-СоА-дегидрогеназы), etfA, etfB (субъединиц флавопротеина ETF) и hbd(3-гидроксибутирил-СоА-дегидрогеназы). Вероятно, в этом случае часть реакций биосинтеза бутанола (синтез бутиральдегида и бутанола) выполняется за счет собственных ферментов клетки-хозяина. Экспрессия гена тиолазы в штамме L. brevis/pTHL-BCS наряду с вышеперечисленными генами не приводит к повышению уровня синтеза бутанола.Strains L. brevis / pBCS and L. brevis / pTHL-BCS were obtained by a combination of genetic engineering and adaptation methods. For the synthesis of butanol by L. brevis bacteria, expression of the following set of genes from C.acetobutylicum is sufficient: crt (crotonase), bcd (butyryl-CoA dehydrogenase), etfA, etfB (flavoprotein ETF subunits) and hbd (3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase) . Probably, in this case, part of the butanol biosynthesis reactions (synthesis of butyraldehyde and butanol) are carried out due to the host cell's own enzymes. The expression of the thiolase gene in the L. brevis / pTHL-BCS strain along with the above genes does not lead to an increase in the level of butanol synthesis.

Уровень синтеза бутанола у заявляемых рекомбинантных штаммов лактобацилл значительно превосходит таковой у ближайшего аналога в сходных условиях культивирования, а устойчивость их к бутанолу сопоставима с результатами, экспериментально подтвержденными на лактобациллах и других бактериях.The level of butanol synthesis in the claimed recombinant strains of lactobacilli significantly exceeds that of the closest analogue under similar cultivation conditions, and their resistance to butanol is comparable with the results experimentally confirmed on lactobacilli and other bacteria.

Способность заявляемых штаммов синтезировать бутанол путем ферментации как глюкозы, так и ксилозы, позволяет использовать в качестве субстратов для ферментации гидролизаты растительной биомассы, представляющие собой дешевое непищевое сырье.The ability of the claimed strains to synthesize butanol by fermentation of both glucose and xylose allows the use of plant biomass hydrolysates as cheap non-food raw materials as fermentation substrates.

Заявляемые рекомбинантные штаммы-продуценты бутанола относятся к виду L.brevis, природные представители которого не способны синтезировать бутанол. Введение нового вида бактерий в число продуцентов бутанола дает дополнительные возможности для разработки более эффективных путей его биосинтеза.The inventive recombinant strains producing butanol belong to the species L. brevis, the natural representatives of which are not able to synthesize butanol. The introduction of a new type of bacteria among the butanol producers provides additional opportunities for the development of more efficient ways of its biosynthesis.

Источники информацииInformation sources

Figure 00000001
Figure 00000002
Figure 00000001
Figure 00000002

Claims (5)

1. Рекомбинантная плазмидная ДНК pBCS, предназначенная для трансформации бактерий Lactobacillus brevis, имеющая размер 9954 п.н., содержащая промоторную, кодирующую и терминирующую области bcs-оперона из Clostridium acetobutylicum, включающего гены биосинтеза бутанола: crt, bcd, etfB, etfA. и hbd, а также ген устойчивости к ампициллину bla, ген устойчивости к хлорамфениколу cmr и участки инициации репликации ori-177 для грамотрицательных и ori-pAMal для грамположительных бактерий, соответствующая нуклеотидной последовательности SEQ ID NO I.1. Recombinant plasmid DNA pBCS, designed for transformation of bacteria Lactobacillus brevis, having a size of 9954 bp, containing the promoter, coding and termination region of the bcs operon from Clostridium acetobutylicum, including genes for butanol biosynthesis: crt, bcd, etfB. and hbd, as well as the bla ampicillin resistance gene, cmr chloramphenicol resistance gene, and ori-177 replication initiation sites for gram-negative and ori-pAMal for gram-positive bacteria, corresponding to the nucleotide sequence of SEQ ID NO I. 2. Рекомбинантная плазмидная ДНК pTHL-BCS, предназначенная для трансформации бактерий Lactobacillus brevis, имеющая размер 11787 п.н., содержащая промоторную, кодирующую и терминирующую области bcs-оперона из Clostridium acetobutylicum, включающего гены биосинтеза бутанола: crt, bcd, etfB, etfA. и hbd, промоторную, кодирующую и терминирующую области гена ml из Clostridium acetobutylicum, а также ген устойчивости к ампициллину bla, ген устойчивости к хлорамфениколу cmr и участки инициации репликации ori-177 для грамотрицательных бактерий и ori-pAMal для грамположительных бактерий, соответствующая нуклеотидной последовательности SEQ ID NO 2.2. Recombinant plasmid DNA pTHL-BCS, designed to transform Lactobacillus brevis bacteria, having a size of 11787 bp, containing the promoter, coding, and terminating regions of the bcs operon from Clostridium acetobutylicum, including butanol biosynthesis genes: crt, bcd, etf, etf, etf . and hbd, the promoter, coding, and termination regions of the ml gene from Clostridium acetobutylicum, as well as the bla ampicillin resistance gene, the cmr chloramphenicol resistance gene, and the ori-177 replication initiation sites for gram-negative bacteria and ori-pAMal for gram-positive bacteria corresponding to the nucleotide sequence of SEQ ID NO 2. 3. Рекомбинантный штамм Lactobacillus brevis ВКПМ В-10044 - продуцент н-бутанола, полученный трансформацией штамма Lactobacillus brevis ВКПМ 5563 плазмидной ДНК по п.1.3. The recombinant strain of Lactobacillus brevis VKPM B-10044 is an n-butanol producer obtained by the transformation of the plasmid DNA strain Lactobacillus brevis VKPM 5563 according to claim 1. 4. Рекомбинантный штамм Lactobacillus brevis ВКПМ В-10043 - продуцент н-бутанола, полученный трансформацией штамма Lactobacillus brevis ВКПМ 5563 плазмидной ДНК по п.2.4. The recombinant strain of Lactobacillus brevis VKPM B-10043 is the producer of n-butanol obtained by transformation of the plasmid DNA strain Lactobacillus brevis VKPM 5563 according to claim 2. 5. Способ микробиологического синтеза н-бутанола, предусматривающий культивирование рекомбинантных бактерий, содержащих гены биосинтеза н-бутанола из Clostridium acetobutylicum, в микроаэрофильных условиях в питательной среде, включающей источники углерода, азота и минеральные добавки до максимального накопления целевого продукта, отличающийся тем, что в качестве продуцентов, содержащих гены биосинтеза н-бутанола из Clostridium acetobutylicum, используют рекомбинантные бактерии Lactobacillus brevis, полученные трансформацией бактерий Lactobacillus brevis плазмидной ДНК по п.1 или 2 и совмещающие способность синтезировать н-бутанол с устойчивостью к концентрации н-бутанола в жидкой среде от 2,0 мас.% и выше, а в качестве углерода в средах для культивирования используют глюкозу и/или ксилозу. 5. The method of microbiological synthesis of n-butanol, involving the cultivation of recombinant bacteria containing genes for the biosynthesis of n-butanol from Clostridium acetobutylicum, under microaerophilic conditions in a nutrient medium including sources of carbon, nitrogen and mineral additives to the maximum accumulation of the target product, characterized in that as producers containing genes for the biosynthesis of n-butanol from Clostridium acetobutylicum, recombinant bacteria Lactobacillus brevis obtained by the transformation of bacteria Lactobacillus brevis plasmid DNA according to claim 1 are used or 2 and combining the ability to synthesize n-butanol with resistance to a concentration of n-butanol in a liquid medium from 2.0 wt.% and above, and glucose and / or xylose are used as carbon in culture media.
RU2008123104/13A 2008-06-10 2008-06-10 RECOMBINANT PLASMID DNA, CONTAINING GENES OF BUTANOL SYNTHESIS FROM Clostridium acetobutylicum (VERSIONS), RECOMBINANT STRAIN Lactobacillus brevis - PRODUCER OF N-BUTANOL (VERSIONS) AND METHOD FOR MICROBIOLOGICAL SYNTHESIS OF N-BUTANOL RU2375451C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008123104/13A RU2375451C1 (en) 2008-06-10 2008-06-10 RECOMBINANT PLASMID DNA, CONTAINING GENES OF BUTANOL SYNTHESIS FROM Clostridium acetobutylicum (VERSIONS), RECOMBINANT STRAIN Lactobacillus brevis - PRODUCER OF N-BUTANOL (VERSIONS) AND METHOD FOR MICROBIOLOGICAL SYNTHESIS OF N-BUTANOL

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008123104/13A RU2375451C1 (en) 2008-06-10 2008-06-10 RECOMBINANT PLASMID DNA, CONTAINING GENES OF BUTANOL SYNTHESIS FROM Clostridium acetobutylicum (VERSIONS), RECOMBINANT STRAIN Lactobacillus brevis - PRODUCER OF N-BUTANOL (VERSIONS) AND METHOD FOR MICROBIOLOGICAL SYNTHESIS OF N-BUTANOL

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2375451C1 true RU2375451C1 (en) 2009-12-10

Family

ID=41489579

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008123104/13A RU2375451C1 (en) 2008-06-10 2008-06-10 RECOMBINANT PLASMID DNA, CONTAINING GENES OF BUTANOL SYNTHESIS FROM Clostridium acetobutylicum (VERSIONS), RECOMBINANT STRAIN Lactobacillus brevis - PRODUCER OF N-BUTANOL (VERSIONS) AND METHOD FOR MICROBIOLOGICAL SYNTHESIS OF N-BUTANOL

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2375451C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014135633A1 (en) 2013-03-06 2014-09-12 Clariant Produkte (Deutschland) Gmbh Improvement of clostridial butanol production by gene overexpression
CN113247946A (en) * 2021-04-22 2021-08-13 哈尔滨工业大学 Self-contained nano biocatalyst, preparation method thereof and application thereof in butanol production

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FLIOCCO D. Improved adaptation to heat, cold and solvent tolerance in Lactobacillus plantarum, Appl. Microbiol. Biotechnol, 2007, dec, 77(4), 909-15. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014135633A1 (en) 2013-03-06 2014-09-12 Clariant Produkte (Deutschland) Gmbh Improvement of clostridial butanol production by gene overexpression
CN113247946A (en) * 2021-04-22 2021-08-13 哈尔滨工业大学 Self-contained nano biocatalyst, preparation method thereof and application thereof in butanol production

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9359611B2 (en) Recombinant microorganism and methods of production thereof
KR101390085B1 (en) Anaerobic fermentation of glycerol
JP6445970B2 (en) Recombinant microorganisms and uses thereof
JP6199747B2 (en) Recombinant microorganisms and their use
US9834795B2 (en) Recombinant microorganisms and uses therefor
US9365868B2 (en) Fermentation process for producing isopropanol using a recombinant microorganism
US9453210B2 (en) Cells and method for producing acetone
Schilling et al. Engineering of the 2, 3-butanediol pathway of Paenibacillus polymyxa DSM 365
JP2009539407A (en) Solvent resistant microorganism and isolation method
US9284580B2 (en) Metabolic engineering of clostridium tyrobutyricum for butanol production
KR100971792B1 (en) Method for preparing butanol through butyryl-coa as an intermediate using yeast
KR20190037349A (en) Continuous culture for 1,3-propanediol production using high glycerine concentration
Lauer et al. Metabolic engineering of Clostridium ljungdahlii for the production of hexanol and butanol from CO2 and H2
Petrognani et al. Production of isobutyric acid from methanol by Clostridium luticellarii
JP2018519813A (en) Method for producing alcohol
US20150322402A1 (en) Syntrophic co-culture of anaerobic microorganism for production of n-butanol from syngas
RU2375451C1 (en) RECOMBINANT PLASMID DNA, CONTAINING GENES OF BUTANOL SYNTHESIS FROM Clostridium acetobutylicum (VERSIONS), RECOMBINANT STRAIN Lactobacillus brevis - PRODUCER OF N-BUTANOL (VERSIONS) AND METHOD FOR MICROBIOLOGICAL SYNTHESIS OF N-BUTANOL
KR101758910B1 (en) Recombinant Microorganisms Producing Butanol and Method for Preparing Butanol Using the Same
EP2508597A1 (en) Production of butanol by fermentation in Arxula sp.
Lawson et al. Anaerobes: A piece in the puzzle for alternative biofuels
WO2014135633A1 (en) Improvement of clostridial butanol production by gene overexpression
US9790522B2 (en) Compositions and methods for the conversion of short-chained carboxylic acids to alcohols using clostridial enzymes
CN114015634A (en) Recombinant escherichia coli for high yield of succinic acid and construction method and application thereof
NZ614459B2 (en) Recombinant microorganisms and uses therefor

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20170327

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190611