重组大肠杆菌高效合成四氢嘧啶及相关技术的研究

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四氢嘧啶(1,4,5,6-四氢-2-甲基-4-嘧啶羧酸)是微生物合成的一类重要的相容性溶质,在微生物适应环境渗透压的变化过程中发挥了重要的作用。研究表明,四氢嘧啶具有稳定蛋白质、核酸、生物膜以及整个细胞的功能,可以增强细胞在多种逆境(如高盐、热、干燥和冷冻等)中的耐受性。因此,四氢嘧啶其在医学、美容以及生物技术等众多领域展现出重要的应用价值和广泛的应用前景。传统四氢嘧啶生产利用嗜盐微生物作为生产菌株,通过高盐和低盐的反复转换生产四氢嘧啶,该方法也被称为“细菌挤奶法”。为了克服高盐环境对设备的腐蚀以及简化生产工艺,近年来人们也尝试将四氢嘧啶合成途径引入非嗜盐微生物中,利用普通微生物合成四氢嘧啶。然而,这些工程菌的四氢嘧啶合成效率都很低,远不能达到工业化生产的要求。  本研究选择来源于四氢嘧啶高产菌株Halomonaselongata的四氢嘧啶合成基因簇ectABC,将其导入大肠杆菌K12系列菌株BW25113中,构建了四氢嘧啶高产菌株。通过引入以天冬氨酸和甘油为底物的全细胞催化方法,实现了四氢嘧啶在大肠杆菌中的高效分泌。在摇瓶水平上使用5OD/mL的细胞体系对四氢嘧啶的转化条件进行了优化:转化液的最佳组成为100mM天冬氨酸钠、100mM氯化钾、100mM甘油、100mM磷酸钠缓冲液(pH7.0);最佳转化温度为30℃。转化24小时胞外四氢嘧啶的产量从1.56mg/mL提高到2.67mg/mL。对重组大肠杆菌四氢嘧啶合成途径中的限速步骤的分析结果表明:大肠杆菌内源的天冬氨酸激酶(Ask)能够满足四氢嘧啶高效合成的需要;L-二氨基丁酸转氨酶(EctB)的表达量决定了四氢嘧啶的合成效率。为了满足工业化生产的需要,在发酵罐中对四氢嘧啶全细胞催化工艺进行了放大,当细胞浓度为20 OD/mL时,转化24小时,四氢嘧啶的产量达到25.1g/L,单位菌体的合成量达到4048mg/g CDW,为目前已报道的最高水平。循环转化实验表明,重组细胞至少可以连续使用三次,每升菌体的四氢嘧啶总合成量达到63.4g。最终建立并优化了四氢嘧啶下游纯化工艺,获得了纯度超过99%的四氢嘧啶晶体。本研究彻底突破了四氢嘧啶异源合成中低产的瓶颈,在四氢嘧啶的规模化生产中具有重要的应用价值。对大肠杆菌B系列菌株Red同源重组时同源臂的长度对同源重组效率的影响进行了分析。结果表明虽然重组效率远低于K系列菌株,当同源臂为100bp时即可在BL21(DE3)中发生同源重组。另外还发现重组基因在大肠杆菌中整合表达时,在T7启动子的调控下2拷贝的整合基因即可达到pET系列多拷贝质粒的表达水平,为大肠杆菌生产重组蛋白提供了新的策略。
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