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氧化葡萄糖酸杆菌木糖醇脱氢酶和D-阿拉伯糖醇脱氢酶基因的克隆与协同表达

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摘要

第一章 绪论

1.1 木糖醇的概述

1.1.1 木糖醇的应用

1.1.2 木糖醇的生产方法

1.2 木糖醇的生物转化途径

1.2.1 多菌多步转化葡萄糖生成木糖醇

1.2.2 两菌两步转化葡萄糖生成木糖醇

1.3 木糖醇生物转化途径中的关键酶

1.3.1 D-阿拉伯糖醇脱氢酶(ArDH)

1.3.2 木糖醇脱氢酶(XDH)

1.4 课题研究的目的与意义

1.5 主要研究内容

1.6 技术路线

第二章 氧化葡萄糖酸杆菌木糖醇脱氢酶基因的克隆表达及酶学性质研究

2.1 引言

2.2 材料

2.2.1 菌株和质粒

2.2.2 培养基

2.2.3 主要酶和试剂

2.2.4 仪器设备

2.3 基本实验方法和步骤

2.3.1 菌体的培养

2.3.2 分子克隆技术

2.3.3 重组菌SDS-PAGE分析

2.3.4 重组酶的纯化

2.3.5 XDH活力的测定

2.3.6 XDH酶学性质测定

2.4 结果与讨论

2.4.1 重组质粒pSE-xdh的构建

2.4.2 氧化葡萄糖酸杆菌XDH基因的序列分析

2.4.3 xdh基因表达产物的蛋白质电泳分析

2.4.4 XDH的纯化及比活力测定

2.4.5 XDH的酶学性质

2.5 本章小结

第三章 氧化葡萄糖酸杆菌D-阿拉伯糖醇脱氢酶基因的克隆表达及酶学性质研究

3.1 引言

3.2 材料

3.2.1 菌株与质粒

3.2.2 培养基

3.2.3 主要酶和试剂

3.2.4 仪器设备

3.3 基本实验方法和步骤

3.3.1 菌体的培养

3.3.2 分子克隆技术

3.3.3 重组菌SDS-PAGE分析

3.3.4 重组酶的纯化

3.3.5 ArDH活力的测定

3.3.6 ArDH酶学性质测定

3.4 结果与讨论

3.4.1 重组质粒pSE-ardh的构建

3.4.2 氧化葡萄糖酸杆菌ArDH基因的序列分析

3.4.3 ardh基因表达产物的蛋白质电泳分析

3.4.4 重组酶的纯化及比活力测定

3.4.5 ArDH的酶学性质

3.5 本章小结

第四章 木糖醇脱氢酶和D-阿拉伯糖醇脱氢酶基因的协同表达及转化

4.1 引言

4.2 材料

4.2.1 菌株

4.2.2 培养基

4.2.3 主要酶和试剂

4.2.4 仪器设备

4.3 基本实验方法和步骤

4.3.1 菌体的培养

4.3.2 分子克隆技术

4.3.3 重组菌SDS-PAGE分析

4.3.4 木糖醇脱氢酶和D-阿拉伯糖醇脱氢酶的活力测定

4.3.5 种子液制备

4.3.6 摇瓶发酵

4.3.7 木糖醇含量测定方法

4.4 结果与讨论

4.4.1 重组质粒pSE-xdh-ardh的构建

4.4.2 xdh和ardh基因协同表达产物的蛋白质电泳分析

4.4.3 发酵验证

4.4.4 产物的气相色谱分析

4.5 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 主要结论

5.2 展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文及其他科研成果

附录

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摘要

木糖醇因其吸湿性、甜度和外观都与蔗糖相似,产热少,对人体无害,有益于龋齿的预防,并且其代谢不受胰岛素影响等特点,广泛应用于食品、医药和化工等领域,在国际上供不应求。近年来,随着人们环保意识的增强,“绿色”生产观念的深入,生物法生产木糖醇更符合可持续发展的理念,逐渐成为各国学者开展研究的重点。D-阿拉伯糖醇脱氢酶(D-arabitol dehydrogenase,ArDH)和木糖醇脱氢酶(xylitol dehydrogenase,XDH)作为木糖醇生物合成途径中的关键酶和限速酶,它们的高效表达对D-阿拉伯糖醇转化生产木糖醇起着至关重要的作用。因此,构建高性能的基因工程菌,对于木糖醇生产效率的提高以及工业化生产具有重要的意义。
  本论文利用PCR技术从氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacter oxydans)中扩增出编码XDH的编码基因xdh,构建重组质粒pSE-xdh,并在大肠杆菌(Escherichiacoli)BL21中得到了高效表达。 SDS-PAGE分析结果显示重组菌BL21-xdh有28 kDa特异性蛋白条带出现。经过金属镍亲和层析及Sephacryl S-300凝胶层析纯化后,系统地测定其酶学性质。当以D-木酮糖为底物时,还原反应的最适温度为35℃,最适pH约为5.0,还原反应的比活为288.2 U/mg,对D-木酮糖的Km值为66.8 mmol/L,Vmax为140.5μmol/min/mg;当以木糖醇为底物时,氧化反应最适温度为30℃,最适pH约为11.0,氧化反应的比活为101.8 U/mg,对木糖醇的Km值为139.4 mmol/L,Vmax为105.3μmol/min/mg。
  同时,克隆并表达了G.oxydans ArDH的编码基因ardh,构建重组菌pSE-ardh,并在大肠杆菌(E.coli) BL21中得到了高效表达;ardh的表达产物经SDS-PAGE分析显示有27 kDa特异性蛋白条带出现,纯化蛋白并测定其酶学性质。当以D-木酮糖为底物时,还原反应的最适温度为30℃,最适pH约为5.5,还原反应的比活为16.2 U/mg,对D-木酮糖的Km值为36.3 mmol/L,Vmax为103.1μmol/min/mg;当以D-阿拉伯糖醇为底物时,氧化反应最适温度为30℃,最适pH约为8.5,氧化反应的比活为65.7 U/mg,对D-阿拉伯糖醇的Km值为60.4mmol/L, Vmax为79.8μmol/min/mg。
  利用重组质粒pSE-xdh和pSE-ardh构建重组质粒pSE-xdh-ardh,并转入E.coli BL21,实现了xdh和ardh基因的协同表达;对基因工程菌进行发酵验证,结果表明,双基因协同表达的工程菌得到了成功构建,在含65 g/LD-阿拉伯糖醇的发酵培养基中,基因工程菌转化D-阿拉伯糖醇生产木糖醇的产量可达27.6g/L,产率约为42.5%。

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