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大肠杆菌好氧发酵生产苹果酸的代谢工程研究

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第一章 文献综述

1.1苹果酸的理化性质

1.2 L-苹果酸的用途

1.3 苹果酸的化学合成法

1.4苹果酸的生物合成法

1.4.1 苹果酸天然生产菌株

1.4.2 代谢工程菌株

1.4.3 两步发酵法产 L-苹果酸的研究进展

1.5选题背景和研究内容

1.5.1苹果酸的应用前景

1.5.2甘油及其利用

1.5.3 主要研究内容

第二章 材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 实验菌株和质粒

2.1.2 实验相关仪器

2.1.3 实验药品

2.1.4 溶剂和培养基配制

2.2 实验方法

2.2.1引物设计和基因测序

2.2.2 琼脂糖凝胶电泳

2.2.3 DNA片段的回收

2.2.4 PCR产物的纯化

2.2.5 DNA的酶切、去磷酸化和连接

2.2.6 大肠杆菌电转感受态细胞的制备与转化

2.2.7大肠杆菌染色体DNA的提取

2.2.8 大肠杆菌质粒的提取

2.2.9 大肠杆菌基因的敲除

2.2.10菌株的培养及发酵

2.2.11 葡萄糖的测定

2.2.12 发酵产物的测定

2.2.13 酶活的测定

第三章 实验结果与讨论

3.1好氧苹果酸生产菌株的构建

3.1.1 PEP羧化酶基因ppc启动子的置换

3.1.2苹果酸酶maeA的敲除

3.1.3苹果酸酶maeB的敲除

3.1.4 苹果酸脱氢酶mdh的敲除

3.1.5 苹果酸脱氢酶mqo的敲除

3.1.6组合基因的敲除

3.1.7三基因敲除菌株的构建

3.1.8四基因敲除菌株的构建

3.2 苹果酸理论最大得率的计算

3.2.1 以甘油为底物生产苹果酸理论得率计算

3.2.2 以葡萄糖为底物生产苹果酸理论得率计算

3.3 工程菌株发酵结果分析

3.3.1 以甘油为底物进行发酵的结果

3.3.2 苹果酸脱氢酶mdh基因序列测定

3.3.3苹果酸脱氢酶 MDH 的酶活力测定

3.3.4羧化途径增强对苹果酸积累的影响

3.3.5 以葡萄糖为底物进行发酵的结果

第四章 结论与展望

4.1 实验结论

4.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

发表的论文

参与的科研项目

致谢

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摘要

苹果酸,又名2-羟基丁二酸,是生物体内三羧酸循环的重要一员,其酸味持久柔和,是优良的酸味剂,苹果酸在医药、食品等多个行业中都有广泛用途。苹果酸的生产方法包括从植物中提取,酶转化法,化学合成法及微生物发酵法,由于能源和环境的日益恶化,微生物发酵法越来越受重视。本文通过代谢工程的策略构建了能够利用甘油、葡萄糖为底物高效生产苹果酸的大肠杆菌菌株。
  本文对大肠杆菌利用甘油、葡萄糖为底物生产苹果酸的代谢网络模型进行了系统分析,通过截断苹果酸消耗途径,增强羧化通量,阻断副产物积累途径等策略构建了一系列生产苹果酸的菌株;并在好氧条件下分别以甘油和葡萄糖为碳源进行发酵,考察菌株生产苹果酸的能力。发酵结果显示,不同碳源对苹果酸的积累有影响。
  首先在大肠杆菌E2中过表达了磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因ppc,得到菌株E21,以甘油为底物苹果酸积累量从0.76提高到4.69 g/L,说明乙醛酸途径的增强有利于苹果酸的积累。采用单敲除和组合敲除策略,敲除苹果酸脱氢酶基因mdh,mqo及苹果酸酶基因maeA和maeB。其中表现优异的菌株E23(E21,△maeA,△maeB)利用9.8 g/L甘油积累了5.14 g/L苹果酸,苹果酸得率为0.36 mol/mol甘油。说明阻断苹果酸的消耗途径对于苹果酸的积累是有利的。
  通过引入谷氨酸棒状杆菌(Corynebacterium glutamicum)的丙酮酸羧化酶基因pyc和产琥珀酸放线杆菌(Actinobacillus succinogenes)的pck基因,增强菌株的羧化途径,但是在以甘油为底物进行好氧发酵时,羧化途径的增强并没有进一步提高苹果酸的产量。
  以葡萄糖为底物进行好氧发酵,表现突出的菌株为双敲除菌株E23(E21,△maeA,△maeB)和E21(pTrcpyc),苹果酸得率分别为0.62 mol/mol和0.79 mol/mol葡萄糖。说明解除苹果酸的消耗途径对于苹果酸的积累是有利的,同时由于丙酮酸的浓度由于葡萄糖通过PTS系统运输而保持较高的水平,pyc基因的过表达有效的加强了从丙酮酸到草酰乙酸的通量,并进一步导致苹果酸积累量的增加。然而,在过表达pyc的基础上敲除苹果酸酶基因并不能进一步提高苹果酸的产量。经过摇瓶发酵条件的初步优化,菌株E21(pTrcpyc)生产12.45 g/L苹果酸,得率为0.84 mol/mol,达到理论得率的63.2%。

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