CN110591989A - 一株高产l-色氨酸工程菌株及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种L‑色氨酸基因工程菌及其构建方法,其保藏编号为:CGMCC NO.15765。通过基因工程的手段将L‑色氨酸分解代谢途径的相关基因进行缺失,同时通过适当的表达载体过表达L‑色氨酸合成途径相关基因,构建一株L‑色氨酸生产底盘细胞TD0。在此基础之上,结合L‑色氨酸生物传感器,通过流式细胞仪筛选出L‑色氨酸高产菌株TD。
Description
技术领域
本发明涉及生物技术领域,具体涉及一种L-色氨酸工程菌及其生产L-色氨酸的方法。
背景技术
L-色氨酸是人体和动物生命活动必需的氨基酸之一,对人和动物的生长发育、新陈代谢起着重要的生理作用,被广泛应用于饲料、医药和食品等领域。在医药领域,色氨酸是氨基酸输液的重要组分和重要的医药中间体,以色氨酸为前体可合成多种具有医用价值的代谢产物,例如5-羟色氨酸,烟酸、生物碱、辅酶、色素等。在饲料中添加L-色氨酸能够有效的提高畜、禽、鱼类日粮内色氨酸的含量,显著提高饲料中蛋白的价值和利用率,促进动物生长。在食品应用领域,色氨酸可用于强化食品,例如可以作为调味剂添加至西式糕点中,也可用于面包促进发酵。由于L-色氨酸的广泛用途,国内外对L-色氨酸的需求量日益增加。但由于长期以来L-色氨酸的生产难度高、价格昂贵,L-色氨酸在诸多领域未能大量得到推广应用。
L-色氨酸发酵研究始于二十世纪60年代初期。虽然对这种方法的研究进行得比较早,但在之后相当长的一段发展时期内,并没有达不到工业化生产的要求。主要原因是从葡萄糖到L-色氨酸的生物合成需要经过二十多步反应,途径比较漫长,其代谢流也相对比较弱,另一方面,L-色氨酸生物合成途径中包含着复杂的调控机制,加重了对菌株改造的难度。从葡萄糖被细菌吸收开始,需要经过细胞膜上的磷酸转运***(PhosphotransferaseSystem,PTS),糖酵解途径(Embden Meyerhof Parnas,EMP)和磷酸戊碳糖途径(HexoseMonophosphate Pathway,HMP),分别合成前体磷酸烯醇式丙酮酸(Phosphoenolpyruvate,PEP)和赤藓糖-4-磷酸(D-erythrose-4-phosphate,E4P),经过共有的莽草酸途径到达分支酸,然后在分支合成三种芳香族氨基酸L-苯丙氨酸,L-酪氨酸,L-色氨酸。
在L-色氨酸代谢过程中,从葡萄糖到L-色氨酸的生物合成途径长,需要多种来自不同代谢流路的前体物(如PEP,E4P,L-丝氨酸,谷氨酰胺,PRPP等),尤其是PEP与L-丝氨酸来源于EMP途径,E4P与PRPP来源于HMP途径,在强化代谢流路的同时,不易实现代谢平衡。另外,L-色氨酸生物合成途径中的代谢调控机制也比较复杂,存在多种反馈抑制和反馈阻遏。Berry A在大肠杆菌中高表达去除反馈抑制的aroG,trpEDCBA基因,发酵50小时,产色氨酸40-45g/L,对葡萄糖的过程转化率超过22%(Barry A,Improving production ofaromatic compounds in Escherichia coli by metabolic engineering.TrendsBiotechnol,14:250-256,1996)。
1979年Tribe和Pittard首次利用DNA重组技术将trpE引入到大肠杆菌(E.coli)中,L-色氨酸的产量达到了1g/L(Tribe D E et al.,Applied and environmentalmicrobiology,1979,38(2):181-190.)。此后,随着重组DNA技术在微生物育种中的广泛应用,在筛选L-色氨酸生产菌技术方面和产酸菌株方面取得了重大突破。例如,1999年,Ikeda等在产L-色氨酸的谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)pIK9960中高表达tktA基因,增强L-色氨酸合成前体E4P的水平,从而提高L-色氨酸的合成效率,发酵80小时的L-色氨酸产量达到58g/L(Ikeda M et al.,Applied and environmental microbiology,1999,65(6):2497-2502.)。2017年,Zeng等通过基因工程纯理性改造的方法得到高产L-色氨酸菌株S028,通过发酵61h,L-色氨酸产量达到了40.3g/L(Chen L et al.,Appliedmicrobiology and biotechnology,2017,101(2):559-568.)
上述改造方法虽然一定程度上提高了菌株合成L-色氨酸的能力,但由于我们对微生物生理及遗传背景了解的局限性,传统的改造策略并非能达到我们的预期。因此,亟需进一步寻求高产L-色氨酸工程菌的改造策略,以获得满足工业化需求的L-色氨酸工程菌。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一株高产L-色氨酸工程菌株及其发酵生产L-色氨酸的方法,以满足L-色氨酸的大规模工业化生产。
为达到上述目的,第一方面,本发明提供了一种高产L-色氨酸工程菌的构建方法,其包括如下步骤:
(1)在出发菌株中敲除tnaA、mlc基因,过表达aroG基因及trpEDCBA操纵子,获得产L-色氨酸底盘细胞;
(2)构建检测L-色氨酸含量的生物传感器,
(3)将步骤(2)构建得到的生物传感器导入步骤(1)的底盘细胞中;
(4)对步骤(3)带有生物传感器的底盘细胞进行诱变处理;
(5)筛选获得较底盘细胞L-色氨酸产量提高的诱变菌株。
其中步骤(1)中的出发菌株为细菌,更优选为大肠杆菌,进一步优选为MG1655;
优选地,步骤(2)中的生物传感器的核心元件为tanC基因,tanC基因所表达蛋白TnaC作为依赖细胞内色氨酸浓度的输入显示器,将胞内色氨酸的浓度转化为GFP荧光蛋白信号进行检测;
步骤(4)中的诱变方法为化学诱变或物理诱变,优选为物理诱变,进一步优选为ARTP诱变;
优选地,步骤(5)的筛选方法为高通量筛选,优选为采用流式细胞仪进行高通量筛选。
第二方面,本发明提供了一株高产L-色氨酸工程菌,该菌株经鉴定为大肠埃希氏菌(Escherichia coli),该菌株已于2018年5月16日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(简称CGMCC,地址: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,邮政编码:100101),保藏编号为CGMCC NO.15765。
第三方面,本发明提供了一种生产L-色氨酸的方法,其包括如下步骤:
(1)在一定温度条件下培养第一方面所获得L-色氨酸产量提高的诱变菌株或第二方面所述菌株;
(2)按2%-10%转接量转接步骤(1)中的菌株至发酵培养基并培养30-60小时;
(3)离心收集步骤(2)中的发酵液,HPLC检测。
其中,步骤(1)的培养温度为30-40℃,优选为37℃;
优选地,步骤(2)中的接种量为5%。
第四方面,本发明提供了高产L-色氨酸菌株在生产L-色氨酸中的应用。
第五方面,本发明提供了高产L-色氨酸菌株在饲料、医药、食品中的应用。
附图说明
图1.Ptrc99a-trp质粒图谱。
图2.L-色氨酸生物传感器对胞外添加丙氨酸-色氨酸的响应结果。
图3.高通量筛选菌株发酵柱状图。
图4.摇瓶发酵结果。
具体实施方式
实施例1:构建L-色氨酸生产底盘细胞
Cas9-tnaA质粒构建:以MG1655为模板,用引物tnaA-up-F、tnaA-up-R扩增带接头的tanA-UP片段,用引物tnaA-down-F、tnaA-down-R扩增带接头的tnaA-Down片段。tnaA-UP片段和tnaA-Down片段通过组装成tnaA-UD片段。以cas9质粒为模板,用引物tnaA-n20-F、tnaA-ver-R扩增质粒骨架tnaA-ver1片段,用引物tnaA-ver-F、tnaA-n20-R扩增质粒骨架tnaA-ver2片段。质粒骨架tnaA-ver1、tnaA-ver2与上面的片段tnaA-UD通过Gibsonassembly(Gibson assembly方法是Gibson等发明的将多个DNA片段在1次反应中实现分子间连接)得到cas9-tnaA质粒。
Cas9-mlc质粒构建:以MG1655为模板,用引物mlc-up-F、mlc-up-R扩增带接头的mlc-UP片段,用引物mlc-down-F、mlc-down-R扩增带接头的mlc-Down片段。mlc-UP片段和mlc-Down片段通过组装成mlc-UD片段。以cas9质粒为模板,用引物mlc-n20-F、mlc-ver-R扩增质粒骨架mlc-ver1片段,用引物mlc-ver-F、mlc-n20-R扩增质粒骨架mlc-ver2片段。质粒骨架mlc-ver1、mlc-ver2与上面的片段mlc-UD通过Gibson assembly得到cas9-mlc质粒。
pH5a-aroG-trpEDCBA质粒构建:以MG1655为模板,用引物aroG-F、aroG-R扩增带接头的aroG片段。以PH5a质粒做模板,pH5a-M-F、pH5a-M-R扩增带接头的pH5a-M片段。以aroG片段和pH5a-M片段为模板,aroG-F、pH5a-M-R引物扩增得到用于Gibson assembly的aroG-M-Gibson片段。以MG1655为模板,用引物trpEDCBA-F、trpEDCBA-R扩增带接头的trpEDCBA-Gibson片段。以pH5a-ver-F、pH5a-ver-R扩增带接头的质粒骨架,与上面的aroG-M-Gibson片段、trpEDCBA-Gibson片段通过Gibson assembly得到pH5a-aroG-trpEDCBA质粒。
本部分所用引物如下:
表1构建L-色氨酸生产底盘细胞所用到的引物
把质粒cas9-tnaA导入到菌株MG1655中,构建菌株MG1655-cas9-tnaA。通过在培养基中添加***糖进行诱导敲除,最终构建敲除tnaA基因后的菌株MG1655△tnaA。
把质粒cas9-mlc导入到菌株MG1655△tnaA中,构建菌株MG1655△tnaA-ptrc99a-mlc。通过在培养基中添加***糖进行诱导敲除,最终构建敲除mlc基因后的菌株MG1655△tnaA△mlc。
把质粒pH5a-aroG-trpEDCBA化转入菌株MG1655△tnaA中△mlc,从而构建菌株TD0。本部分所用到的菌株及质粒如下:
表2构建L-色氨酸生产底盘细胞所用菌株和质粒
实施例2:L-色氨酸生物传感器的构建
Ptrc99a-trp质粒构建:以MG1655为模板,用引物tnaC-F、tanC-R扩增带接头的tnaC-tnaA(tnaC的前24bp到tnaA的启动子后30bp)片段。以pMA5质粒为模板,用引物GFP-F、GFP-R扩增带接头的GFP片段。以tanC-tnaA片段和GFP片段为模板,用引物tanC-F、GFP-R扩增用于Gibson assembly的tnaC-GFP-Gibson片段。以质粒ptrc99a为模板,用引物ptrc99a-ver-F、ptrc99a-ver-R扩增得到ptrc99a质粒骨架,与上面的tnaC-GFP-Gibson片段通过Gibson assembly得到ptrc99a-trp质粒,质粒图谱如图1所示。TnaC作为依赖细胞内色氨酸浓度的输入显示器,将胞内色氨酸的浓度转化为GFP荧光蛋白信号进行检测。
本部分所用引物如下:
表3 L-色氨酸生物传感器的构建所用到的引物
表4 L-色氨酸生物传感器的构建所用菌株及质粒
为了验证ptrc99a-trp的效果,我们把质粒ptrc99a-trp导入到菌株TD0中得到菌株TD0-trp。挑取单菌落于LB中过夜培养,12h后以1:100的比例转接于M9培养基中,待OD长到0.4-0.5时,胞外添加不同浓度的丙氨酸-色氨酸二肽到培养液中进行测试,培养8h后,用酶标仪进行荧光定量(激发483nm,发射525nm)。结果如图2所示,胞内L-色氨酸的浓度与荧光强度呈一定的线性关系。
实施例3:高通量筛选
为了获得一个比较广的突变库,我们对底盘细胞进行了等离子体(ARTP)诱变。诱变后的菌活化后,混合菌液通过两轮流式细胞仪进行筛选。第一轮筛选,经过诱变的细胞经过过夜培养OD长至1.0左右,进行流式筛选,荧光值达到前0.3%的被分选出来,并扩大培养至OD为1.0左右。第二轮筛选,经过第一轮分选出来的细胞经过培养后,通过流式细胞仪把荧光值高达前0.3%的分选到含有500μL培养基的96孔板中过夜培养并涂布于固体培养基中得到单菌落。
实施例4:菌株发酵验证
通过流式细胞仪分选出来的菌株,挑取96个单菌落(包含一个对照菌株)于含有500μL LB的96孔板中过夜培养,然后按5%(v/v)接种量接种到含有500μL发酵培养基的96孔板中(三个平行),在37℃,200rpm/min条件下培养38h。
实施例5:发酵菌株高效液相色谱法(HPLC)检测
将发酵液在冷冻离心机中5500rpm/min离心15-20min,收集上清,上清经0.22μm滤膜过滤后做HPLC检测。发酵结果如图3所示,T20菌株L-色氨酸产量最高,色氨酸产量达到1.91g/L,是底盘菌株L-色氨酸产量的6.8倍。T20菌株的丢掉质粒ptrc99a-trp后命名为菌株TD。
HPLC条件为:色谱柱为ZORBAX Eclipse AAA(氨基酸分析)色谱柱,流动相A:40mMNa2HPO4,pH 7.8,流动相B:甲醇:乙腈:水=45:45:10,v/v/v。洗脱梯度为0-1min,100%A;9.8min:43%A+57%B;10min:100%B;12min:100%B;12.5min:100%A。流速2.0mL/min,串联连接RID、VWD检测器,检测池温度控制在40℃,进样量为10μL,分析时间26min,紫外检测波长338nm。
实施例6:L-色氨酸工程菌株TD摇瓶发酵验证
分别挑取基因工程菌株TD和对照菌株TD0的单菌落接种于含5ml LB培养基的试管中,37℃过夜培养,然后按5%的接种量转接至含30ml发酵培养基的250ml摇瓶中进行发酵,于37℃发酵38小时。
将发酵液在冷冻离心机中5500rpm/min离心15-20min,收集上清,上清经0.22μm滤膜过滤后做HPLC检测。发酵结果如图4所示,TD菌株L-色氨酸产量为1.88g/L,较对照菌株产量提高了507%。
Claims (10)
1.一种高产L-色氨酸工程菌的构建方法,包括如下步骤:
(1)在出发菌株中敲除tnaA、mlc基因,过表达aroG基因及trpEDCBA操纵子,获得产L-色氨酸底盘细胞;
(2)构建检测L-色氨酸含量的生物传感器;
(3)将步骤(2)构建得到的生物传感器导入步骤(1)的底盘细胞中;
(4)对步骤(3)带有生物传感器的底盘细胞进行诱变处理;
(5)筛选获得较底盘细胞L-色氨酸产量提高的诱变菌株。
2.如权利要求1所述的构建方法,其特征在于,步骤(1)中的出发菌株为细菌,更优选为大肠杆菌,进一步优选为MG1655。
3.如权利要求1或2所述的构建方法,其特征在于,步骤(2)中生物传感器的核心元件为tanC基因。
4.如权利要求1-3任一所述的构建方法,其特征在于,步骤(4)中的诱变方法为化学诱变或物理诱变,优选为物理诱变,更优选为ARTP诱变。
5.如权利要求1-4任一所述的构建方法,其特征在于,步骤(5)中的筛选方法为高通量筛选,优选为流式细胞仪筛选。
6.权利要求1-5任一方法筛选得到的L-色氨酸产量提高的诱变菌株。
7.一株高产L-色氨酸工程菌,其特征在于,所述工程菌为大肠埃希氏菌(Escherichiacoli),保藏编号为CGMCC NO.15765。
8.一种制备L-色氨酸的方法,包括如下步骤:
(1)在一定温度条件下培养权利要求1-5筛选获得的L-色氨酸产量提高的诱变菌株或权利要求7所述工程菌;
(2)按2%-10%转接量转接步骤(1)中的菌株至发酵培养基并培养30-60小时;
(3)离心收集步骤(2)中的发酵液,检测L-色氨酸产量。
9.如权利要求8所述方法,其特征在于,步骤(1)的培养温度为30-40℃,优选为37℃;步骤(2)的接种量为5%。
10.权利要求1-6筛选得到的L-色氨酸产量提高的诱变菌株及权利要求7所述高产L-色氨酸工程菌在生产L-色氨酸中的应用。
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