CN108004274B - 一种酿酒酵母发酵生产丙烯酸的方法 - Google Patents

一种酿酒酵母发酵生产丙烯酸的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种酿酒酵母发酵生产丙烯酸的方法,以丙三醇为原料,酿酒酵母菌为宿主菌,经过宿主菌体内若干酶的催化而完成。本发明的有益效果:1)以低成本化合物为原料,工艺原材料成本低。2)以改造微生物为技术基础,在微生物体内进行生物酶的催化合成,避免大规模的提取、分离、纯化过程,从生产成本和对环境友好方面容易控制。3)本工艺在生产设备的规模和数量上比其他方法要要少,操作简单,易于产业转化。4)本工艺仅在生产的最后步骤有分离纯化工序,产品纯化工艺简单,产品质量比一般方法纯度更好、含量更高。5)合成过程没有废液排放,环境友好,无污染,可持续生产。

Description

一种酿酒酵母发酵生产丙烯酸的方法
技术领域
本发明涉及一种丙烯酸的生物合成方法,具体的说涉及一种酿酒酵母发酵生产丙烯酸的方法。
背景技术
丙烯酸分子式:C3H4O2;英文名称:Acrylic acid;CAS:79-10-7;分子量:72.06;物理性质:与水混溶,可混溶于乙醇、***,无色液体,有刺激性气味;熔点为13℃,沸点为141℃,闪点为54℃,密度为1.05g/cm。
丙烯酸是重要的有机合成原料及合成树脂单体,是聚合速度非常快的乙烯类单体。是最简单的不饱和羧酸,由一个乙烯基和一个羧基组成。纯的丙烯酸是无色澄清液体,带有特征的刺激性气味。它可与水、醇、醚和氯仿互溶。大多数用以制造丙烯酸甲酯、乙酯、丁酯、羟乙酯等丙烯酸酯类。丙烯酸及丙烯酸酯可以均聚及共聚,其聚合物用于合成树脂、合成纤维、高吸水性树脂、建材、涂料等工业部门。丙烯酸作为市场需求排名近20位的大宗化学品,丙烯酸及其聚合物等在工业生产、航空航天、污水处理、医用材料及纳米材料等方面都有广泛的应用。随着科技的发展,人们对绿色环保材料的需求日益增加,使得以丙烯酸作为有机合成原料和合成树脂单体的功能性材料越来越受到人们的青睐。
丙烯酸工业生产主要采用丙烯氧化法。丙烯先与氧气反应生成丙烯醛,丙烯醛再去氧作用生成丙烯酸,转化率较高。尽管该法存在诸多优点,但是原料依赖于传统化石能源,污染重、耗能高、不可持续。目前也有利用半生物合成法或生物全合成法来合成丙烯酸。丙烯酸半生物合成法是指利用微生物体将丙烯腈、丙烯酰胺等石油化工原料转化为丙烯酸的方法。
丙烯酸的半生物法虽然产量较高,但其原料丙烯腈、丙烯酰胺在成本上比丙烯酸还高,限制了这种方法的工业化生产。丙烯酸全生物法是指微生物直接利用糖类等生物质发酵生产丙烯酸的方法。合成途径复杂、合成机理不清晰、合成效率极低是现有现有的丙烯酸生物全合成方法的缺点。本发明旨在解决上述技术问题,提供一种反应温和、合成效率高的丙烯酸生物合成方法。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足,提供一种酿酒酵母发酵生产丙烯酸的方法,该方法反应温和、合成效率高、产量高,无污染,生产周期短。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种酿酒酵母发酵生产丙烯酸的方法,所述合成方法以丙三醇为原料,酿酒酵母菌为宿主菌,经过宿主菌体内若干酶的催化而完成;
所述宿主菌按下述方法构建获得:
1)根据酿酒酵母密码子偏好性优化基因GlyDH和DAK的密码子,然后利用双向启动子,将两个基因构建于酿酒酵母表达载体YCplac33,得到载体1,表达载体YCplac33带有大肠杆菌的氨苄霉素抗性和酿酒酵母的筛选标记URA基因;在酿酒酵母中构建异源甘油代谢途径,GlyDH基因所表达的酶能将甘油转化成二羟基丙酮,DAK基因所表达的酶再将二羟基丙酮转化成磷酸二羟基丙酮;
2)依据酿酒酵母密码子偏好性对ceaS2基因及NOX基因进行优化,然后将两个基因同时构建于酿酒酵母表达载体YCplac33,得到载体2,表达载体YCplac33带有大肠杆菌的氨苄霉素抗性基因和酿酒酵母的筛选标记Leu基因;
ceaS2基因所表达的酶具有将磷酸二羟基丙酮或3-磷酸甘油醛转化为丙烯酸的功能,由于GlyDH酶需要依赖NADH才能具有催化甘油转化成二羟基丙酮的功能,在这个过程中,NADH会转化成NAD+。为了提高NADH的供给,从而提高1)中构建的异源甘油代谢途径的效率,在酿酒酵母中构建了异源NADH循环模块,即利用引入NOX基因,NOX基因所表达的酶能够将NAD+还原成NADH;
3)敲除酿酒酵母BY4741中的PDC1基因、DLD1基因、GPD1基因和GPD2基因,得到经过改造的酿酒酵母BY4741-ΔPDC1-ΔDLD1-ΔGPD1-ΔGPD2菌株;目的是为了减少核心中间产物磷酸二羟基丙酮和3-磷酸甘油醛被其他代谢途径消耗;
4)将上述载体1和2同时转入3)中所描述的经过改造的酿酒酵母BY4741-ΔPDC1-ΔDLD1-ΔGPD1-ΔGPD2中,根据酿酒酵母的筛选标记ura和Leu基因,筛选阳性克隆,然后提取酿酒酵母基因组,进一步PCR验证。
优选的,步骤1)中GlyDH和DAK基因分别根据嗜热脂肪土芽孢杆菌和毕赤酵母中相应基因的氨基酸序列来合成。
优选的,步骤2)中ceaS2和NOX基因分别根据棒状链霉菌和嗜热脂肪土芽孢杆菌相应基因的氨基酸序列来合成。
一种酿酒酵母发酵生产丙烯酸的方法,所述合成方法步骤如下:
1)根据酿酒酵母密码子偏好性优化基因GlyDH和DAK的密码子,然后利用双向启动子,将两个基因构建于酿酒酵母表达载体YCplac33,得到载体1,表达载体YCplac33带有大肠杆菌的氨苄霉素抗性和酿酒酵母的筛选标记URA基因;
2)依据酿酒酵母密码子偏好性对ceaS2基因及NOX基因进行优化,然后将两个基因同时构建于酿酒酵母表达载体YCplac33,得到载体2,表达载体YCplac33带有大肠杆菌的氨苄霉素抗性基因和酿酒酵母的筛选标记Leu基因;
3)敲除酿酒酵母BY4741中的PDC1基因、DLD1基因、GPD1基因和GPD2基因,得到经过改造的酿酒酵母BY4741-ΔPDC1-ΔDLD1-ΔGPD1-ΔGPD2菌株;
4)将上述载体1和2同时转入3)中所描述的经过改造的酿酒酵母BY4741-ΔPDC1-ΔDLD1-ΔGPD1-ΔGPD2中,根据酿酒酵母的筛选标记ura和Leu基因,筛选阳性克隆,然后提取酿酒酵母基因组,进一步PCR验证;
5)将酿酒酵母宿主菌培养,诱导表达;
6)在表达后的菌液中添加甘油底物,继续反应20-26h;
7)将反应液中的丙烯酸提取、分离纯化。
优选的,步骤6)中甘油的添加量为:10g/L-100g/L,反应温度为:25-35℃。
本专利涉及到的基因为GlyDH、DAK、NOX和ceaS2(见表1)。
Figure BDA0001552463180000031
Figure BDA0001552463180000041
本发明制备丙烯酸与现有技术不同之处在于:
1)以低成本化合物为原料,工艺原材料成本低。
2)以改造微生物为技术基础,在微生物体内进行生物酶的催化合成,避免大规模的提取、分离、纯化过程,从生产成本和对环境友好方面容易控制。
3)本工艺在生产设备的规模和数量上比其他方法要要少,操作简单,易于产业转化。
4)本工艺仅在生产的最后步骤有分离纯化工序,产品纯化工艺简单,产品质量比一般方法纯度更好、含量更高。
5)合成过程没有废液排放,环境友好,无污染,可持续生产,本发明工艺从经济、环境和职业健康角度均为优良的工业化生产指路线。
附图说明
图1为本发明的丙烯酸生物合成路线图;
图2(a)为本发明中的YCplac33-GlyDH-DAK质粒图谱;
图2(b)为本发明中的YCplac33-ceaS2-NOX质粒图谱;
图3为本发明合成样品的液相结果图;
图4为本发明合成样品的质谱结果图,其中图4(a)为丙烯酸标品LC-MS分析的色谱图,图4(b)为对照样品LC-MS分析的色谱图,图4(c)为改造过后菌株培养反应液LC-MS分析的色谱图,图4(d)为改造过后菌株培养反应液LC-MS分析的质谱图。
具体实施方式
下面通过具体实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步的具体说明。以下对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
一种酿酒酵母发酵生产丙烯酸的方法,其合成路线如图1所述,所述合成方法以丙三醇为原料,酿酒酵母菌为宿主菌,经过宿主菌体内若干酶的催化而完成;所述宿主菌按下述方法构建获得:
1)根据酿酒酵母密码子偏好性优化基因GlyDH和DAK的密码子,然后利用双向启动子,将两个基因构建于酿酒酵母表达载体YCplac33,得到载体1,如图2(a)所示,表达载体YCplac33带有大肠杆菌的氨苄霉素抗性和酿酒酵母的筛选标记URA基因;在酿酒酵母中构建异源甘油代谢途径,GlyDH基因所表达的酶能将甘油转化成二羟基丙酮,DAK基因所表达的酶再将二羟基丙酮转化成磷酸二羟基丙酮;
2)依据酿酒酵母密码子偏好性对ceaS2基因及NOX基因进行优化,然后将两个基因同时构建于酿酒酵母表达载体YCplac33,得到载体2,如图2(b)所示,表达载体YCplac33带有大肠杆菌的氨苄霉素抗性基因和酿酒酵母的筛选标记Leu基因;
ceaS2基因所表达的酶具有将磷酸二羟基丙酮或3-磷酸甘油醛转化为丙烯酸的功能,由于GlyDH酶需要依赖NADH才能具有催化甘油转化成二羟基丙酮的功能,在这个过程中,NADH会转化成NAD+。为了提高NADH的供给,从而提高1)中构建的异源甘油代谢途径的效率,在酿酒酵母中构建了异源NADH循环模块,即利用引入NOX基因,NOX基因所表达的酶能够将NAD+还原成NADH;
3)敲除酿酒酵母BY4741中的PDC1基因、DLD1基因、GPD1基因和GPD2基因,得到经过改造的酿酒酵母BY4741-ΔPDC1-ΔDLD1-ΔGPD1-ΔGPD2菌株;目的是为了减少核心中间产物磷酸二羟基丙酮和3-磷酸甘油醛被其他代谢途径消耗;
4)将上述载体1和2同时转入3)中所描述的经过改造的酿酒酵母BY4741-ΔPDC1-ΔDLD1-ΔGPD1-ΔGPD2中,根据酿酒酵母的筛选标记ura和Leu基因,筛选阳性克隆,然后提取酿酒酵母基因组,进一步PCR验证。
具体到本实施例,步骤1)中GlyDH和DAK基因分别根据嗜热脂肪土芽孢杆菌和毕赤酵母中相应基因的氨基酸序列来合成。
具体到本实施例,步骤2)中ceaS2和NOX基因分别根据棒状链霉菌和嗜热脂肪土芽孢杆菌相应基因的氨基酸序列来合成。
一种酿酒酵母发酵生产丙烯酸的方法,所述合成方法步骤如下:
1)根据酿酒酵母密码子偏好性优化基因GlyDH和DAK的密码子,然后利用双向启动子,将两个基因构建于酿酒酵母表达载体YCplac33,得到载体1,表达载体YCplac33带有大肠杆菌的氨苄霉素抗性和酿酒酵母的筛选标记URA基因;
2)依据酿酒酵母密码子偏好性对ceaS2基因及NOX基因进行优化,然后将两个基因同时构建于酿酒酵母表达载体YCplac33,得到载体2,表达载体YCplac33带有大肠杆菌的氨苄霉素抗性基因和酿酒酵母的筛选标记Leu基因;
3)敲除酿酒酵母BY4741中的PDC1基因、DLD1基因、GPD1基因和GPD2基因,得到经过改造的酿酒酵母BY4741-ΔPDC1-ΔDLD1-ΔGPD1-ΔGPD2菌株;
4)将上述载体1和2同时转入3)中所描述的经过改造的酿酒酵母BY4741-ΔPDCl-ΔDLD1-ΔGPD1-ΔGPD2中,根据酿酒酵母的筛选标记ura和Leu基因,筛选阳性克隆,然后提取酿酒酵母基因组,进一步PCR验证;
5)将酿酒酵母宿主菌培养,诱导表达;
6)在表达后的菌液中添加甘油底物,继续反应20-60h,优选36-48h;
7)将反应液中的丙烯酸提取、分离纯化。
优选的,步骤6)中甘油的添加量为:10g/L-100g/L,优选60-80g/L,反应温度为:25-35℃,优选30℃。
本发明合成的样品的液相结果图和质谱结果图分别如图3和图4(a)-(d)所示。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案,并非对本发明作任何形式上的限制,在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
序列表
<110> 嘉兴欣贝莱生物科技有限公司
嘉兴欣贝莱生物科技有限公司
<120> 一种酿酒酵母发酵生产丙烯酸的方法
<130> 20182018
<160> 2
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 3
<211> 10513
<212> DNA
<213> 人工序列(未知)
<400> 3
ctgcattaat gaatcggcca acgcgcgggg agaggcggtt tgcgtattgg gcgctcttcc 60
gcttcctcgc tcactgactc gctgcgctcg gtcgttcggc tgcggcgagc ggtatcagct 120
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ttggtgttga tgtaagcgga ggtgtggaga caaatggtgt aaaagactct aacaaaatag 4140
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tcaaacagtg acacatatta aacacagtgg tttctttgca taaacaccat cagcctcaag 4680
tcgtcaagta aagatttcgt gttcatgcag atagataaca atctatatgt tgataattag 4740
cgttgcctca tcaatgcgag atccgtttaa ccggacccta gtgcacttac cccacgttcg 4800
gtccactgtg tgccgaacat gctccttcac tattttaaca tgtggaatta attctcatgt 4860
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attccatagc ttagtttaat caaggcgcca ttattcctca gttgaaaagt atatctaatg 6060
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attcgaaact aagttcttgg tgttttaaaa ctaaaaaaaa gactaactat aaaagtagaa 8100
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cgggttacag cagaattaaa aggctaattt tttgactaaa taaagttagg aaaatcacta 8640
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ctcgttccaa ttatgcgatg catgtgcctt ccgtttagag tgagcattat caaatataaa 10140
gtcaaatcct tttggcattt attttgattg aaacccagtc tgtccttaac tcttttgcct 10200
atcaaacgct gtaggtcact cttggtacgg tacagcggat agcgctattt attcagcaag 10260
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cctgtcgtgc cag 10513
<210> 3
<211> 10763
<212> DNA
<213> 人工序列(未知)
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tatgcgatag ttcctcactc tttccttact cacgagtaat tcttgcaaat gcctattgtg 8280
cagatgttat aatatctgtg cgtcttgagt tgaagtcagg aatctaaaat aacatgtagg 8340
tggcggaggg gagatataca atagaacaga taccagacaa gacataatgg gctaaacaag 8400
actacaccaa ttacactgcc tcattgatgg tggtacataa cgaactaata ctgtagccct 8460
agacttgata gccatcatca tatcgaagtt tcactaccct ttttccattt gccatctatt 8520
gaagtaataa taggcgcatg caacttcttt tctttttttt tcttttctct ctcccccgtt 8580
gttgtctcac catatccgca atgacaaaaa aatgatggaa gacactaaag gaaaaaatta 8640
acgacaaaga cagcaccaac agatgtcgtt gttccagagc tgatgagggg tatctcgaag 8700
cacacgaaac tttttccttc cttcattcac gcacactact ctctaatgag caacggtata 8760
cggccttcct tccagttact tgaatttgaa ataaaaaaaa gtttgctgtc ttgctatcaa 8820
gtataaatag acctgcaatt attaatcttt tgtttcctcg tcattgttct cgttcccttt 8880
cttccttgtt tctttttctg cacaatattt caagctatac caagcataca atcaactatc 8940
tcatatacaa tggctgctga aagagttttc atctctccag ctaagtacgt tcaaggtaag 9000
aacgttatca ctaagatcgc taactacttg gaaggtatcg gtaacaagac tgttgttatc 9060
gctgacgaaa tcgtttggaa gatcgctggt cacactatcg ttaacgaatt gaagaagggt 9120
aacatcgctg ctgaagaagt tgttttctct ggtgaagctt ctagaaacga agttgaaaga 9180
atcgctaaca tcgctagaaa ggctgaagct gctatcgtta tcggtgttgg tggtggtaag 9240
actttggaca ctgctaaggc tgttgctgac gaattggacg cttacatcgt tatcgttcca 9300
actgctgctt ctactgacgc tccaacttct gctttgtctg ttatctactc tgacgacggt 9360
gttttcgaat cttacagatt ctacaagaag aacccagact tggttttggt tgacactaag 9420
atcatcgcta acgctccacc aagattgttg gcttctggta tcgctgacgc tttggctact 9480
tgggttgaag ctagatctgt tatcaagtct ggtggtaaga ctatggctgg tggtatccca 9540
actatcgctg ctgaagctat cgctgaaaag tgtgaacaaa ctttgttcaa gtacggtaag 9600
ttggcttacg aatctgttaa ggctaaggtt gttactccag ctttggaagc tgttgttgaa 9660
gctaacactt tgttgtctgg tttgggtttc gaatctggtg gtttggctgc tgctcacgct 9720
atccacaacg gtttcactgc tttggaaggt gaaatccacc acttgactca cggtgaaaag 9780
gttgctttcg gtactttggt tcaattggct ttggaagaac actctcaaca agaaatcgaa 9840
agatacatcg aattgtactt gtctttggac ttgccagtta ctttggaaga catcaagttg 9900
aaggacgctt ctagagaaga catcttgaag gttgctaagg ctgctactgc tgaaggtgaa 9960
actatccaca acgctttcaa cgttactgct gacgacgttg ctgacgctat cttcgctgct 10020
gaccaatacg ctaaggctta caaggaaaag cacagaaagt aaatttattg gagaaagata 10080
acatatcata ctttccccca cttttttcga ggctcttcta tatcatattc ataaattagc 10140
attatgtcat ttctcataac tactttatca cgttagaaat tacttattat tattaaatta 10200
atacaaaatt tagtaaccaa ataaatataa ataaatatgt atatttaaat tttaaaaaaa 10260
aaatcctata gagcaaaagg attttccatt ataatattag ctgtacacct cttccgcatt 10320
ttttgagggt ggttacaaca ccactcattc agaggctgtc ggcacagttg cttctagcat 10380
ctggcgtccg tattccgata cgccttgtct ccaactcaat acagtcggta gctgaacgag 10440
aaaactcttg ataagctggg gaatggttct tggaagtagt ataggcgcca gctaggatct 10500
ttctcttccc agccccgttc tgtcaggtag aactcgtcca attgagacgg gatcctctag 10560
agtcgacctg caggcatgca agcttggcgt aatcatggtc atagctgttt cctgtgtgaa 10620
attgttatcc gctcacaatt ccacacaaca tacgagccgg aagcataaag tgtaaagcct 10680
ggggtgccta atgagtgagc taactcacat taattgcgtt gcgctcactg cccgctttcc 10740
agtcgggaaa cctgtcgtgc cag 10763

Claims (5)

1.一种酿酒酵母发酵生产丙烯酸的方法,其特征在于,以丙三醇为原料,酿酒酵母菌为宿主菌,经过宿主菌体内若干酶的催化而完成;
所述宿主菌按下述方法构建获得:
1)根据酿酒酵母密码子偏好性优化基因GlyDH和DAK的密码子,然后利用双向启动子,将两个基因构建于酿酒酵母表达载体YCplac33,得到载体1,表达载体YCplac33带有大肠杆菌的氨苄霉素抗性和酿酒酵母的筛选标记URA基因;
2)依据酿酒酵母密码子偏好性对ceaS2基因及NOX基因进行优化,然后将两个基因同时构建于酿酒酵母表达载体YCplac33,得到载体2,表达载体YCplac33带有大肠杆菌的氨苄霉素抗性基因和酿酒酵母的筛选标记Leu基因;
3)敲除酿酒酵母BY4741中的PDC1基因、DLD1基因、GPD1基因和GPD2基因,得到经过改造的酿酒酵母BY4741-ΔPDC1-ΔDLD1-ΔGPD1-ΔGPD2菌株;
4)将上述载体1和2同时转入3)中所描述的经过改造的酿酒酵母BY4741-ΔPDC1-ΔDLD1-ΔGPD1-ΔGPD2中,根据酿酒酵母的筛选标记ura和Leu基因,筛选阳性克隆,然后提取酿酒酵母基因组,进一步PCR验证。
2.根据权利要求1所述的酿酒酵母发酵生产丙烯酸的方法,其特征在于,步骤1)中GlyDH和DAK基因分别根据嗜热脂肪土芽孢杆菌和毕赤酵母中相应基因的氨基酸序列来合成。
3.根据权利要求1所述的酿酒酵母发酵生产丙烯酸的方法,其特征在于,步骤2)中ceaS2和NOX基因分别根据棒状链霉菌和嗜热脂肪土芽孢杆菌相应基因的氨基酸序列来合成。
4.根据权利要求1所述的酿酒酵母发酵生产丙烯酸的方法,其特征在于,所述合成方法步骤如下:
1)根据酿酒酵母密码子偏好性优化基因GlyDH和DAK的密码子,然后利用双向启动子,将两个基因构建于酿酒酵母表达载体YCplac33,得到载体1,表达载体YCplac33带有大肠杆菌的氨苄霉素抗性和酿酒酵母的筛选标记URA基因;
2)依据酿酒酵母密码子偏好性对ceaS2基因及NOX基因进行优化,然后将两个基因同时构建于酿酒酵母表达载体YCplac33,得到载体2,表达载体YCplac33带有大肠杆菌的氨苄霉素抗性基因和酿酒酵母的筛选标记Leu基因;
3)敲除酿酒酵母BY4741中的PDC1基因、DLD1基因、GPD1基因和GPD2基因,得到经过改造的酿酒酵母BY4741-ΔPDC1-ΔDLD1-ΔGPD1-ΔGPD2菌株;
4)将上述载体1和2同时转入3)中所描述的经过改造的酿酒酵母BY4741-ΔPDC1-ΔDLD1-ΔGPD1-ΔGPD2中,根据酿酒酵母的筛选标记ura和Leu基因,筛选阳性克隆,然后提取酿酒酵母基因组,进一步PCR验证;
5)将酿酒酵母宿主菌培养,诱导表达;
6)在表达后的菌液中添加甘油底物,继续反应20-60h;
7)将反应液中的丙烯酸提取、分离纯化。
5.根据权利要求4所述的酿酒酵母发酵生产丙烯酸的方法,其特征在于,步骤6)中甘油的添加量为:10g/L-100g/L,反应温度为:25-35℃。
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