CN109468254B - 一种提高l-丙氨酸生产效率的方法及其应用 - Google Patents

一种提高l-丙氨酸生产效率的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高L‑丙氨酸生产效率的方法及其应用,属于生物工程技术领域。本发明利用基因工程手段对筛选得到在高浓度葡萄糖下生长产酸的突变株FMME‑A232进行改造,强化葡萄糖的转运路径,使用pEtac质粒串联表达葡萄糖转运蛋白EI蛋白和EIIAClc蛋白得到大肠杆菌重组菌,该大肠杆菌重组菌能够提高葡萄糖的消耗速率,使得该菌株发酵周期由55h降至45h,L‑丙氨酸产量达到160.8g/L,提高了L‑丙氨酸的生产效率。

Description

一种提高L-丙氨酸生产效率的方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种提高L-丙氨酸生产效率的方法及其应用,属于生物工程技术领域。
背景技术
L-丙氨酸是人体非必需氨基酸,在医药、食品等领域用途广泛。在医药领域,L-丙氨酸 用于合成氨基酸输液,也是合成维生素B6和氨基丙醇的主要原料;在食品领域,由于L-丙 氨酸具有特殊的香味和甜味,作为风味调料应用于饮料、糕点和奶制品等,添加L-丙氨酸 同时可以提高食品的营养价值。
L-丙氨酸的生产工艺主要包括酶催化法和发酵法。酶催化法的主要原材料L-天冬氨酸的 价格高,其生产原料为富马酸是经石油炼制生产的,石油资源属于不可再生资源。发酵法通 常是通过基因工程改造遗传背景清晰的大肠杆菌,实现L-丙氨酸的高产。申请人在申请号 为201811234785.3的专利申请中通过对大肠杆菌K12进行代谢工程改造,进一步对该菌株 进行适应性进化,获得在高浓度葡萄糖条件下可以高产L-丙氨酸的大肠杆菌FMME-232A, 30L小试发酵罐中发酵55h,L-丙氨酸产量可达到171.0g/L。利用葡萄发酵生产L-丙氨酸, 生产成本降低,且为可持续再生生物质资源,
但是高浓度的葡萄糖会使得L-丙氨酸的发酵周期延长,生产效率降低。
发明内容
本发明在申请号为201811234785.3的专利申请的基础上,以高产L-丙氨酸的大肠杆菌 FMME-232A为出发菌株,通过其强化葡萄糖转运路径,构建了能够高效生产L-丙氨酸的新 型菌种,提供了一种提高L-丙氨酸生产效率的方法及其应用。
本发明的第一个目的在于提供一种大肠杆菌重组菌,所述大肠杆菌重组菌串联表达ptsI 基因编码的EI蛋白和crr基因编码的EIIAClc蛋白。
可选的,所述ptsI基因的EI蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示,crr基因的EIIAClc蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示。
可选的,所述大肠杆菌重组菌是对大肠杆菌FMME-A232中葡萄糖转运路径进行改造得 到,所述大肠杆菌FMME-A232于2018年9月17日保藏于中国典型培养物保藏中心,保藏编号为CCTCC NO:M 2018628,保藏地址为中国.武汉.武汉大学。
可选的,使用pEtac质粒串联表达葡萄糖转运蛋白EI蛋白和EIIAClc蛋白。
可选的,所述使用pEtac质粒串联表达葡萄糖转运蛋白EI蛋白和EIIAClc蛋白包括:
使用pEtac质粒,串联表达ptsI基因编码的EI转运蛋白和crr基因编码的EIIAClc转运 蛋白,构建重组质粒pEtac-EI-EIIAClc;将重组质粒pEtac-EI-EIIAClc导入大肠杆菌FMME- A232中,获得大肠杆菌重组菌。
本发明的第二个目的在于提供上述大肠杆菌重组菌在食品和/或药品中的应用。
可选的,所述应用是使用所述大肠杆菌重组菌生产L-丙氨酸。
本发明的第三个目的在于提供一种发酵生产L-丙氨酸的方法,所述方法为利用上述大 肠杆菌重组菌发酵生产L-丙氨酸。
可选的,所述方法包括:将所述大肠杆菌重组菌接种于含硫酸卡那霉素100mg/L的LB培养基,37℃震荡培养过夜,按照10~15%接种量接种于发酵培养基,前期好氧发酵,温度26~30℃,空气量1.0~2.0vvm,搅拌转速300~400rpm,培养6~8h,加入4~8g/L乳糖诱导EI蛋白和EIIAClc蛋白表达,继续培养至15~25h,开始限氧阶段发酵,将通气量降低至0.01~0.1vvm,搅拌转速降低至50~100rpm,温度上升至40~43℃,当葡萄糖消耗尽后立即结束发酵。
可选的,所述发酵培养基包括:葡萄糖180~220g/L,玉米浆3~6g/L,酵母粉2~6g/L, K2HPO4·12H2O 2~6g/L,KH2PO4 4~6g/L,MgSO4·7H2O 0.4~0.6g/L,一水合柠檬酸0.2~0.4 g/L。
本发明有益效果是:
利用基因工程手段对筛选得到在高浓度葡萄糖下生长产酸的突变株FMME-A232进行改 造,强化葡萄糖的转运路径,使用pEtac质粒串联表达葡萄糖转运蛋白EI蛋白和EIIAClc蛋 白得到大肠杆菌重组菌,该大肠杆菌重组菌能够提高葡萄糖的消耗速率,使得该菌株发酵周 期由55h降至45h,L-丙氨酸产量达到160.8g/L。
生物材料保藏信息:
大肠杆菌Escherichia coliFMME-A232,于2018年9月17日保藏于中国典型培养物保 藏中心,保藏编号为CCTCC NO:M 2018628,保藏地址为中国.武汉.武汉大学。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附 图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域 普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是pEtac-EI-EIIAClc共表达质粒的构建示意图。
具体实施方式
下述实施例中,都是采用常规实验方法,实施材料均从商业途径可得。
下述实施例中,大肠杆菌FMME-232已于2018年9月17日保藏于中国典型培养物保藏中心,保藏编号为CCTCC NO:M 2018628,保藏地址为中国.武汉.武汉大学。
氨基酸检测采用常规的高效液相色谱检测。
葡萄糖测定方法:使用SBA-40生物传感分析仪进行分析。
生产强度的计算:生产强度(g/L/h)=L-丙氨酸产量(g/L)/发酵时间(h)。
葡萄糖得率的计算:葡萄糖得率(%)=L-丙氨酸最高产量(g/L)/总葡萄糖添加(g/L)x100。
实施例1:单基因表达重组大肠杆菌的构建
PTS转运途径由4个蛋白EI(ptsI)、HPr(ptsH)、EIIAGlc(err)、EIIBCGlc(ptsG)组成,构建 单基因表达菌株,筛选能够缩短L-丙氨酸发酵周期的基因。
(1)使用细菌基因组提取试剂盒提取大肠杆菌K12的基因组DNA;
(2)使用表1中引物ptsI-up和ptsI-down、ptsH-up和ptsH-down、err-up和err-down、 ptsG-up和ptsG-down从基因组DNA中克隆得到pstI(SEQ ID NO.1)、ptsH(SEQ IDNO.3)、crr(SEQ ID NO.2)、ptsG(SEQ ID NO.4)基因;
(3)使用SalI和HindIII双酶切目表达载体pEtac和目的片段;
(4)使用DNA连接试剂盒将上述克隆得到的双酶切载体和目的片段连接,得到重组质 粒,将质粒热击转化于FMME-A232,得到重组菌株FMME-A232EI、FMME-A232HPr、 FMME-A232EIIA、FMME-A232EIIBC;
表1单表达质粒的构建引物
Figure BDA0001863482220000031
实施例2:大肠杆菌重组菌株发酵特性
酵培养基成分:葡萄糖180g/L,玉米浆3g/L,酵母粉2g/L,K2HPO4·12H2O 2g/L,KH2PO45g/L,MgSO4·7H2O 0.5g/L,一水合柠檬酸0.3g/L。
摇瓶发酵考察重组菌株发酵特性:将原始菌株FMME-A232和实施例1构建的重组菌株 FMME-A232EI、FMME-A232HPr、FMME-A232EIIA、FMME-A232EIIBC分别接种至LB 培养基(重组菌培养基中添加100mg/L硫酸卡那霉素)中过夜培养。种子液按照10%接种量 接种于发酵培养基,分为好氧-限氧两阶段发酵培养。好氧菌体生长阶段以30℃、150rpm 震荡培养至细胞OD600达到10,加入2g/L乳糖诱导目标蛋白表达,继续培养至OD600达 到25,开始限氧发酵阶段42℃,25rpm震荡培养85h。实验结果如表2,重组菌FMME- A232EI和FMME-A232EIIA发酵周期相较于原始菌株FMME-A232均缩短了10h,生产强 度限度增强,说明过量表达EI和EIIAClc蛋白可以增加葡萄糖转运速率,缩短发酵周期,进 而提高L-丙氨酸的生产效率。
表2不同重组大肠杆菌发酵特性
Figure BDA0001863482220000041
实施例3:双基因表达重组大肠杆菌的构建
(1)使用表2中引物ptsI–up1和ptsI-down1从大肠杆菌K12基因组DNA中克隆得到pstI 基因,crr-up1和crr-down1从大肠杆菌K12基因组DNA中克隆得到crr基因;
(2)使用HindIII和EcoRI双酶切表达载体pEtac;
(3)使用一步重组克隆试剂盒将上述克隆得到的两目的片段和双酶切载体连接,得到重 组质粒pEtac-EI-EIIAClc(如图1),将质粒热击转化于FMME-A232感受态细胞,得到重组菌 株FMME-A232EE。
表3串联共表达质粒的构建引物
Figure BDA0001863482220000042
Figure BDA0001863482220000051
实施例4:原始菌株与重组菌株发酵生产L-丙氨酸
发酵培养基成分:葡萄糖180g/L,玉米浆4g/L,酵母粉4g/L,K2HPO4·12H2O 5g/L,KH2PO45g/L,MgSO4·7H2O 0.5g/L,一水合柠檬酸0.3g/L。
FMME-A232发酵培养:将FMME-A232菌株接种于LB培养基,37℃震荡培养过夜, 按照10%接种量接种于发酵培养基,前期好氧发酵,温度26℃,空气量1.0vvm,搅拌转速350rpm,培养15h,开始限氧阶段发酵,将通气量降低至0.1vvm,搅拌转速降低至75rpm, 温度上升至42℃,当葡萄糖消耗尽后立即结束发酵。
FMME-A232EE发酵培养:将FMME-A232EE菌株接种于含硫酸卡那霉素100mg/L的 LB培养基,37℃震荡培养过夜,按照10%接种量接种于发酵培养基,前期好氧发酵,温度 26℃,空气量1.0vvm,搅拌转速350rpm,培养6h,加入4g/L乳糖诱导EI蛋白和EIIAClc蛋白表达,继续培养至15h,开始限氧阶段发酵,将通气量降低至0.1vvm,搅拌转速降低 至75rpm,温度上升至42℃,当葡萄糖消耗尽后立即结束发酵。
发酵实验结果如表4,在相同培养条件下,当葡萄糖浓度为180g/L时,FMME-A232EE的发酵周期相较于FMME-A232缩短了15h,两菌株产量基本一致。
表4原始菌株与重组菌株发酵特性
Figure BDA0001863482220000052
实施例5:葡萄糖浓度对重组菌株发酵生产L-丙氨酸的影响
发酵培养基中配制葡萄糖浓度分别为180g/L、200g/L和220g/L,考察在不同葡萄糖 浓度对FMME-A232EE发酵生产L-丙氨酸的影响。发酵培养基余下成分同实施例4,发酵培养方式同实施例4。实验结果如表5:当发酵培养基中葡萄糖浓度为200g/L时,发酵45h 时L-丙氨酸浓度达到160.8g/L,此时葡萄糖得率和L-丙氨酸生产强度达到80.4%和3.57g/L/h;当再提高葡萄糖浓度至220g/L时,葡萄糖得率出现显著下降。
表5不同葡萄糖浓度对重组菌生产L-丙氨酸的影响
Figure BDA0001863482220000061
以上所述仅为本发明的较佳实施例,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。
SEQUENCE LISTING
<110> 江南大学
<120> 一种提高L-丙氨酸生产效率的方法及其应用
<160> 16
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 1728
<212> DNA
<213> 人工合成序列
<400> 1
atgatttcag gcattttagc atccccgggt atcgctttcg gtaaagctct gcttctgaaa 60
gaagacgaaa ttgtcattga ccggaaaaaa atttctgccg accaggttga tcaggaagtt 120
gaacgttttc tgagcggtcg tgccaaggca tcagcccagc tggaaacgat caaaacgaaa 180
gctggtgaaa cgttcggtga agaaaaagaa gccatctttg aagggcatat tatgctgctc 240
gaagatgagg agctggagca ggaaatcata gccctgatta aagataagca catgacagct 300
gacgcagctg ctcatgaagt tatcgaaggt caggcttctg ccctggaaga gctggatgat 360
gaatacctga aagaacgtgc ggctgacgta cgtgatatcg gtaagcgcct gctgcgcaac 420
atcctgggcc tgaagattat cgacctgagc gccattcagg atgaagtcat tctggttgcc 480
gctgacctga cgccgtccga aaccgcacag ctgaacctga agaaggtgct gggtttcatc 540
accgacgcgg gtggccgtac ttcccacacc tctatcatgg cgcgttctct ggaactacct 600
gctatcgtgg gtaccggtag cgtcacctct caggtgaaaa atgacgacta tctgattctg 660
gatgccgtaa ataatcaggt ttacgtcaat ccaaccaacg aagttattga taaaatgcgc 720
gctgttcagg agcaagtggc ttctgaaaaa gcagagcttg ctaaactgaa agatctgcca 780
gctattacgc tggacggtca ccaggtagaa gtatgcgcta acattggtac ggttcgtgac 840
gttgaaggtg cagagcgtaa cggcgctgaa ggcgttggtc tgtatcgtac tgagttcctg 900
ttcatggacc gcgacgcact gcccactgaa gaagaacagt ttgctgctta caaagcagtg 960
gctgaagcgt gtggctcgca agcggttatc gttcgtacca tggacatcgg cggcgacaaa 1020
gagctgccat acatgaactt cccgaaagaa gagaacccgt tcctcggctg gcgcgctatc 1080
cgtatcgcga tggatcgtag agagatcctg cgcgatcagc tccgcgctat cctgcgtgcc 1140
tcggctttcg gtaaattgcg cattatgttc ccgatgatca tctctgttga agaagtgcgt 1200
gcactgcgca aagagatcga aatctacaaa caggaactgc gcgacgaagg taaagcgttt 1260
gacgagtcaa ttgaaatcgg cgtaatggtg gaaacaccgg ctgccgcaac aattgcacgt 1320
catttagcca aagaagttga tttctttagt atcggcacca atgatttaac gcagtacact 1380
ctggcagttg accgtggtaa tgatatgatt tcacaccttt accagccaat gtcaccgtcc 1440
gtgctgaact tgatcaagca agttattgat gcttctcatg ctgaaggcaa atggactggc 1500
atgtgtggtg agcttgctgg cgatgaacgt gctacacttc tgttgctggg gatgggtctg 1560
gacgaattct ctatgagcgc catttctatc ccgcgcatta agaagattat ccgtaacacg 1620
aacttcgaag atgcgaaggt gttagcagag caggctcttg ctcaaccgac aacggacgag 1680
ttaatgacgc tggttaacaa gttcattgaa gaaaaaacaa tctgctaa 1728
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<212> DNA
<213> 人工合成序列
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gtttttgcgg aaaaaatcgt tggtgatggt attgctatca aaccaacggg taacaaaatg 180
gtcgcgccag tagacggcac cattggtaaa atctttgaaa ccaaccacgc attctctatc 240
gaatctgata gcggcgttga actgttcgtc cacttcggta tcgacaccgt tgaactgaaa 300
ggcgaaggct tcaagcgtat tgctgaagaa ggtcagcgcg tgaaagttgg cgatactgtc 360
attgaatttg atctgccgct gctggaagag aaagccaagt ctaccctgac tccggttgtt 420
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<212> DNA
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ggtatcggtt atgcgattgt ttactacacc atcttccgcg tgctgattaa agcactggat 1140
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tgtattaccc gtctgcgcgt cagcgttgct gatgtgtcta aagtggatca ggccggcctg 1320
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<212> DNA
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<212> DNA
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<211> 30
<212> DNA
<213> 人工合成序列
<400> 9
acgcgtcgac atgggtttgt tcgataaact 30
<210> 10
<211> 31
<212> DNA
<213> 人工合成序列
<400> 10
cccaagcttt tacttcttga tgcggataac c 31
<210> 11
<211> 34
<212> DNA
<213> 人工合成序列
<400> 11
acgcgtcgac atgtttaaga atgcatttgc taac 34
<210> 12
<211> 30
<212> DNA
<213> 人工合成序列
<400> 12
cccaagcttt tagtggttac ggatgtactc 30
<210> 13
<211> 45
<212> DNA
<213> 人工合成序列
<400> 13
tttcacacag gaaacagaat tcatgatttc aggcatttta gcatc 45
<210> 14
<211> 70
<212> DNA
<213> 人工合成序列
<400> 14
cagtttatcg aacaaaccca tggtaccttt ctcctcttta atttagcaga ttgttttttc 60
ttcaatgaac 70
<210> 15
<211> 70
<212> DNA
<213> 人工合成序列
<400> 15
gttcattgaa gaaaaaacaa tctgctaaat taaagaggag aaaggtacca tgggtttgtt 60
cgataaactg 70
<210> 16
<211> 48
<212> DNA
<213> 人工合成序列
<400> 16
ggtgctcgag tgcggccgca agcttttact tcttgatgcg gataaccg 48

Claims (7)

1.一种大肠杆菌重组菌,其特征在于,所述大肠杆菌重组菌串联表达ptsI基因编码的EI蛋白和crr基因编码的EIIAClc蛋白;所述大肠杆菌重组菌是对大肠杆菌FMME-A232中葡萄糖转运路径进行改造得到,所述大肠杆菌FMME-A232于2018年9月17日保藏于中国典型培养物保藏中心,保藏编号为CCTCC NO:M 2018628,保藏地址为中国,武汉,武汉大学;
其中,使用pEtac质粒,串联表达ptsI基因编码的EI转运蛋白和crr基因编码的EIIAClc转运蛋白,构建重组质粒pEtac-EI-EIIAClc;将重组质粒pEtac-EI-EIIAClc导入大肠杆菌FMME-A232中,获得大肠杆菌重组菌。
2.根据权利要求1所述的大肠杆菌重组菌,其特征在于,编码所述EI转运蛋白的ptsI基因的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示,编码所述EIIAClc转运蛋白的crr基因的核苷酸序列如SEQ ID NO.2所示。
3.权利要求1或2所述的大肠杆菌重组菌在制备含L-丙氨酸的食品或药品中的应用。
4.根据权利要求3所述的应用,其特征在于,所述应用是使用所述大肠杆菌重组菌生产L-丙氨酸。
5.一种发酵生产L-丙氨酸的方法,其特征在于,所述方法为利用权利要求1或2所述的大肠杆菌重组菌发酵生产L-丙氨酸。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述方法包括:将所述大肠杆菌重组菌接种于含硫酸卡那霉素100mg/L的LB培养基,37℃震荡培养过夜,按照10~15%接种量接种于发酵培养基,前期好氧发酵,温度26~30℃,空气量1.0~2.0vvm,搅拌转速300~400rpm,培养6~8h,加入4~8g/L乳糖诱导EI蛋白和EIIAClc蛋白表达,继续培养至15~25h,开始限氧阶段发酵,将通气量降低至0.01~0.1vvm,搅拌转速降低至50~100rpm,温度上升至40~43℃,当葡萄糖消耗尽后立即结束发酵。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述发酵培养基包括:葡萄糖180~220g/L,玉米浆3~6g/L,酵母粉2~6g/L,K2HPO4·12H2O 2~6g/L,KH2PO4 4~6g/L,MgSO4·7H2O0.4~0.6g/L,一水合柠檬酸0.2~0.4g/L。
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"不同葡萄糖转运途径相关基因的过表达对菌株葡萄糖代谢及产物合成的影响";***等;《食品与发酵工业》;20171231;第43卷(第7期);参见摘要,表4,及第32页左栏最后一段 *

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