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一種高效生產(chǎn)果糖軟骨素的重組大腸桿菌及其構(gòu)建方法與流程

文檔序號(hào):12857860閱讀:799來(lái)源:國(guó)知局
一種高效生產(chǎn)果糖軟骨素的重組大腸桿菌及其構(gòu)建方法與流程

本發(fā)明涉及一種高效生產(chǎn)果糖軟骨素的重組大腸桿菌及其構(gòu)建方法,屬于生物工程技術(shù)領(lǐng)域。



背景技術(shù):

硫酸軟骨素(chondroitinsulfate,cs)是一種由葡萄糖醛酸(d-glcua)與n-乙酰半乳糖胺(galnac)以β-1,3鍵和β-1,4鍵交替連接而成的直鏈酸性粘多糖,廣泛存在于人體軟骨、肌腱、椎間盤(pán)等結(jié)締組織中,與透明質(zhì)酸、肝素、硫酸角質(zhì)素組成了糖胺聚糖。硫酸軟骨素極其類(lèi)似物具有多種生物活性和藥用價(jià)值,在臨床上用于治療風(fēng)濕病和關(guān)節(jié)炎,可賦予軟骨凝膠樣特性和抗變形能力,享有人體“軟黃金”之稱(chēng),同時(shí)硫酸軟骨素極其類(lèi)似物作為膳食補(bǔ)充劑和保濕劑,廣泛應(yīng)用于食品和化妝品領(lǐng)域。

目前,硫酸軟骨素極其類(lèi)似物工業(yè)化的主要生產(chǎn)方法為動(dòng)物組織提取法,即采用堿水解、蛋白酶酶解等工藝方法從豬、牛、鯊魚(yú)等動(dòng)物軟骨中制得。但是提取法自身存在諸多問(wèn)題,如原材料限制、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、產(chǎn)業(yè)水平不高、環(huán)境污染嚴(yán)重等,嚴(yán)重制約了硫酸軟骨素極其類(lèi)似物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷探索尋求利用微生物發(fā)酵法高效生產(chǎn)硫酸軟骨素極其類(lèi)似物的方法。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究人員從生化工程和代謝工程兩個(gè)方面對(duì)微生物生產(chǎn)硫酸軟骨素及其類(lèi)似物進(jìn)行了系統(tǒng)性地研究。其中,1988年發(fā)現(xiàn)了e.colio10:k4:h4的莢膜多糖結(jié)構(gòu)為硫酸軟骨素類(lèi)似物果糖軟骨素,1996年利用k4菌株進(jìn)行發(fā)酵研究,采用rodriguez的發(fā)酵培養(yǎng)基,果糖軟骨素的產(chǎn)量達(dá)到了300mg/l,通過(guò)表達(dá)軟骨素合成酶基因kfoc,抗終止子rfah等策略提高果糖軟骨素的產(chǎn)量。進(jìn)一步提高果糖軟骨素產(chǎn)量成為亟待解決的問(wèn)題。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

為解決上述問(wèn)題,本發(fā)明的目的是提供一株高產(chǎn)果糖軟骨素的大腸桿菌工程菌,以及應(yīng)用該工程菌生產(chǎn)果糖軟骨素的方法。本發(fā)明通過(guò)在大腸桿菌細(xì)胞中過(guò)量表達(dá)合成果糖軟骨素途徑中的關(guān)鍵酶(磷酸葡萄糖胺變位酶glmm和氨基轉(zhuǎn)移酶glms),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了果糖軟骨素的高效生產(chǎn),為果糖軟骨素的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種高效生產(chǎn)果糖軟骨素的重組大腸桿菌,所述重組大腸桿菌是過(guò)表達(dá)了磷酸葡萄糖胺變位酶和氨基轉(zhuǎn)移酶。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中,所述磷酸葡萄糖胺變位酶和氨基轉(zhuǎn)移酶是通過(guò)核糖體結(jié)合位點(diǎn)rbs1與表達(dá)載體相連;所述核糖體結(jié)合位點(diǎn)rbs1的核苷酸序列如seqidno.5所示。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中,所述磷酸葡萄糖胺變位酶和氨基轉(zhuǎn)移酶是通過(guò)融合表達(dá)方式進(jìn)行表達(dá)。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中,所述磷酸葡萄糖胺變位酶的氨基酸序列如seqidno.1所示,所述的氨基轉(zhuǎn)移酶的氨基酸序列如seqidno.2所示。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中,所述重組大腸桿菌是按照核糖體結(jié)合位點(diǎn)rbs1、磷酸葡萄糖胺變位酶glmm基因、寡肽連接子gggs和氨基轉(zhuǎn)移酶glms基因的順序融合后,整合到核苷酸序列如seqidno.7所示的表達(dá)載體上進(jìn)行表達(dá);所述核糖體結(jié)合位點(diǎn)rbs1的核苷酸序列如seqidno.5所示,所述寡肽連接子gggs的核苷酸序列如seqidno.6所示。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中,所述重組大腸桿菌的宿主為大腸桿菌k4atcc23502。

本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種所述重組大腸桿菌的構(gòu)建方法,其特征在于,所述構(gòu)建方法的步驟為:

(1)獲得氨基酸序列如seqidno.1的磷酸葡萄糖胺變位酶glmm和氨基酸序列如seqidno.2氨基轉(zhuǎn)移酶glms基因;

(2)獲得核苷酸序列如seqidno.5的核糖體結(jié)合位點(diǎn)rbs1和核苷酸序列如seqidno.6的寡肽連接子gggs基因;

(3)獲得核苷酸序列如seqidno.7所示的表達(dá)載體petm6r1;

(4)將步驟(1)和(2)所得的基因,按照核糖體結(jié)合位點(diǎn)rbs1、磷酸葡萄糖胺變位酶glmm基因、寡肽連接子gggs基因和氨基轉(zhuǎn)移酶glms基因的順序,連接到步驟(3)的表達(dá)載體上,得到重組質(zhì)粒petm6r1-rbs1-glmm-gggs-glms;

(5)將步驟(4)得到的重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化到大腸桿菌k4atcc23502中,得到大腸桿菌重組菌。

本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供所述大腸桿菌在生產(chǎn)果糖軟骨素中的應(yīng)用,所述應(yīng)用發(fā)酵培養(yǎng)基:甘油10g/l,大豆蛋白胨1g/l,kh2po42g/l,k2hpo410g/l,mgcl20.1g/l,(nh4)2so41g/l,檸檬酸鈉0.5g/l;補(bǔ)料培養(yǎng)基:甘油400g/l,大豆蛋白胨40g/l;37℃下補(bǔ)料分批發(fā)酵。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中,所述應(yīng)用是按5-15%的接種量接種至發(fā)酵罐中,培養(yǎng)5-10h添加0.05-0.15mmol/l的iptg進(jìn)行誘導(dǎo),誘導(dǎo)溫度為35-38℃。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中,所述應(yīng)用是在發(fā)酵過(guò)程中,當(dāng)溶氧陡然上升,開(kāi)始進(jìn)行補(bǔ)料,補(bǔ)料策略為ph-stat,當(dāng)ph超過(guò)7.0時(shí),開(kāi)始補(bǔ)料,當(dāng)ph低于7.0時(shí),停止補(bǔ)料。

本發(fā)明有益效果

本發(fā)明采用融合表達(dá)磷酸葡萄糖胺變位酶和氨基轉(zhuǎn)移酶,實(shí)現(xiàn)了基因的高效表達(dá);在大腸桿菌k4中過(guò)表達(dá),有效提高了果糖軟骨素的產(chǎn)量,相比于未過(guò)表達(dá)磷酸葡萄糖胺變位酶和氨基轉(zhuǎn)移酶的大腸桿菌k4,果糖軟骨素產(chǎn)量從1.91g/l提高至3.99g/l,提高了108.9%。本發(fā)明方法在工業(yè)上用于提高果糖軟骨素的產(chǎn)量具有潛在且非常廣泛的價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1所示為磷酸葡萄糖胺變位酶與氨基轉(zhuǎn)移酶串聯(lián)表達(dá)融合片段的構(gòu)建示意圖;

圖2所示為表達(dá)磷酸葡萄糖胺變位酶和氨基轉(zhuǎn)移酶融合片段重組載體的結(jié)構(gòu)圖;

圖3所示為含有磷酸葡萄糖胺變位酶和氨基轉(zhuǎn)移酶重組載體的重組菌株在搖瓶發(fā)酵中的果糖軟骨素產(chǎn)量;

圖4所示為含有磷酸葡萄糖胺變位酶和氨基轉(zhuǎn)移酶重組載體的重組菌株在5l發(fā)酵罐上補(bǔ)料發(fā)酵的果糖軟骨素產(chǎn)量。

具體實(shí)施方式

序列表中未相關(guān)核苷酸序列信息:

(1)seqidno.1序列信息為大腸桿菌來(lái)源的磷酸葡萄糖胺變位酶glmm氨基酸序列;

(2)seqidno.2序列信息為大腸桿菌來(lái)源的氨基轉(zhuǎn)移酶glms氨基酸序列;

(3)seqidno.3序列信息為人工構(gòu)建融合片段rbs1-glmm-gggs-glms的基因序列;

(4)seqidno.4序列信息為大腸桿菌誘導(dǎo)型啟動(dòng)子ptrc的基因序列;

(5)seqidno.5序列信息為rbs1基因序列;

(6)seqidno.6序列信息為gggs基因序列;

(7)seqidno.7序列信息為人工構(gòu)建質(zhì)粒petm6r1的基因序列;

采用硫酸咔唑比色法測(cè)定果糖軟骨素中的葡萄糖醛酸含量,再乘以2.88倍即獲得果糖軟骨素的含量。

實(shí)施例1:融合片段rbs1-glmm-gggs-glms的構(gòu)建

本發(fā)明所用的磷酸葡萄糖胺變位酶glmm基因和氨基轉(zhuǎn)移酶glms基因來(lái)源于大腸桿菌k4(atcc23502),大腸桿菌k4接種于25mlluria-bertani(lb)液體培養(yǎng)基,在37℃,200rpm培養(yǎng)12h,收集菌體,采用細(xì)菌基因組提取試劑盒提取大腸桿菌菌株的基因組dna。

根據(jù)已公布的基因組信息序列,分別設(shè)計(jì)序列如seqidno.8/seqidno.9引物對(duì)rh-glmm-s1/rh-glmm-a、序列如seqidno.10/seqidno.11引物對(duì)rh-glms-s/rh-glms-a,以提取的基因組dna為模板,采用標(biāo)準(zhǔn)的pcr擴(kuò)增體系和程序,擴(kuò)增獲取glmm和glms基因,然后以rh-glmm-s1/rh-glms-a為引物對(duì),已經(jīng)獲取的glmm和glms基因片段為模板,采用標(biāo)準(zhǔn)的融合pcr擴(kuò)增體系和程序,獲得融合片段rbs1-glmm-gggs-glms。

引物序列信息:5’→3’方向

rh-glmm-s1:gctctagaaagagggcgcggcagagaaggaggaggtaagaaatgagtaatcgtaaatatttcggt

rh-glmm-a:cgccaacaattccacacatagaaccaccaccaacggcttttactgcatcg

rh-glms-s:cgatgcagtaaaagccgttggtggtggttctatgtgtggaattgttggcg

rh-glms-a:ccgctcgagttactcaaccgtaaccgattttg

pcr擴(kuò)增獲取的融合片段rbs1-glmm-gggs-glms,采用瓊脂糖凝膠核酸電泳切膠回收,回收產(chǎn)物連接pmd19t載體,體系10μl:5μlsolution連接酶,4μl目的片段,1μlpmd19t載體,16℃連接過(guò)夜,轉(zhuǎn)化jm109感受態(tài)細(xì)胞,挑取單菌落pcr驗(yàn)證,陽(yáng)性轉(zhuǎn)化子進(jìn)行測(cè)序,比對(duì)正確,證明融合片段rbs1-glmm-gggs-glms構(gòu)建成功,質(zhì)粒命名為pmd19-rbs1-glmm-gggs-glms。

實(shí)施例2:融合片段rbs2-glmm-gggs-glms的構(gòu)建

將實(shí)施例1中rh-glmm-s1序列替換為序列如seqidno.12的rh-glmm-s2、序列如seqidno.13的rh-glmm-s3序列,其他方法與實(shí)施例1一致,構(gòu)建得到融合片段rbs2-glmm-gggs-glms、rbs3-glmm-gggs-glms。

引物序列信息:5’→3’方向

rh-glmm-s2:gctagatatttaaactatcacgacataaggaggtcagggatgagtaatcgtaaatatttcggt

rh-glmm-s3:gctctagacgacataacgttagaaaagaataaggtagtttcatgagtaatcgtaaatatttcggt

實(shí)施例3:表達(dá)載體petm6r1的構(gòu)建

根據(jù)ptrchisa質(zhì)粒公布的序列,分別設(shè)計(jì)序列如seqidno.14/seqidno.15引物對(duì)ptrchisa-s/ptrchisa-a,以質(zhì)粒ptrchisa為模板,采用標(biāo)準(zhǔn)的pcr擴(kuò)增體系和程序,擴(kuò)增獲取ptrc啟動(dòng)子基因序列。

引物序列信息:5’→3’方向

ptrchisa-s:ccctaggatcgagatcgatctcgatcccgcgaaattaatacgactcactatattgacaattaatcatccgg

ptrchisa-a:gctctagaggtaatttttaataataaagttaatcg

在上下游引物兩端分別引入avrii和xbai限制性酶切位點(diǎn)。pcr擴(kuò)增獲取的ptrc片段和質(zhì)粒petm6分別采用avrii和xbai進(jìn)行雙酶切,采用瓊脂糖凝膠核酸電泳進(jìn)行切膠回收,回收產(chǎn)物進(jìn)行連接,體系10μl:6μl雙酶切目的片段,2μl雙酶切載體,1μlt4dnaligasebuffer,1μlt4dnaligase,16℃連接過(guò)夜,轉(zhuǎn)化jm109感受態(tài)細(xì)胞,挑取單菌落pcr驗(yàn)證,陽(yáng)性轉(zhuǎn)化子進(jìn)行測(cè)序,比對(duì)正確,證明重組質(zhì)粒petm6r1構(gòu)建成功。

實(shí)施例4:重組質(zhì)粒petm6r1-rbs1-glmm-gggs-glms的構(gòu)建

jm109(帶有質(zhì)粒pmd19-rbs1-glmm-gggs-glms)菌株接種于25mllb液體培養(yǎng)基,在37℃,200rpm培養(yǎng)12h,收集菌體,采用細(xì)菌質(zhì)粒提取試劑盒提取大腸桿菌菌株的質(zhì)粒pmd19-rbs1-glmm-gggs-glms。實(shí)施案例1中,在glmm上游引物rh-glmm-s1和glms下游引物rh-glms-a分別引入了xbai和xhoi限制性酶切位點(diǎn)。質(zhì)粒petm6r1和pmd19-rbs1-glmm-gggs-glms分別采用xbai和xhoi進(jìn)行雙酶切,采用瓊脂糖核酸電泳進(jìn)行切膠回收,回收產(chǎn)物進(jìn)行連接,體系10μl:6μl雙酶切目的片段,2μl雙酶切載體,1μlt4dnaligasebuffer,1μlt4dnaligase,16℃連接過(guò)夜,轉(zhuǎn)化jm109感受態(tài)細(xì)胞,挑取單菌落pcr驗(yàn)證,陽(yáng)性轉(zhuǎn)化子進(jìn)行測(cè)序,比對(duì)正確,證明重組質(zhì)粒petm6r1-rbs1-glmm-gggs-glms構(gòu)建成功。重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化escherichiacolik4,以100mg/ml的氨芐青霉素平板篩選,并對(duì)重組菌株進(jìn)行pcr驗(yàn)證和測(cè)序驗(yàn)證,對(duì)成功轉(zhuǎn)入petm6r1-rbs1-glmm-gggs-glms的大腸桿菌菌株命名為zq33。

實(shí)施例5:重組質(zhì)粒petm6r1-rbs2-glmm-gggs-glms、petm6r1-rbs3-glmm-gggs-glms的構(gòu)建

按照實(shí)施例4的方法將實(shí)施例2所得融合片段rbs2-glmm-gggs-glms、rbs3-glmm-gggs-glms連接到質(zhì)粒petm6r1,再轉(zhuǎn)化進(jìn)大腸桿菌k4內(nèi),得到重組大腸桿菌zq32、zq31。

實(shí)施例6:重組菌株zq31、zq32、zq33搖瓶發(fā)酵

挑取zq31、zq32、zq33重組菌株進(jìn)行搖瓶發(fā)酵。單克隆接種于50ml(500ml搖瓶)含有10mg/mlamp的lb培養(yǎng)基作為搖瓶發(fā)酵的種子液,置于37℃200rpm培養(yǎng)10h。搖瓶發(fā)酵的接種量為1%,發(fā)酵條件為:轉(zhuǎn)速200rpm,溫度37℃,初始ph控制在7.0。發(fā)酵培養(yǎng)基為:甘油10g/l,大豆蛋白胨1g/l,kh2po42g/l,k2hpo410g/l,mgcl20.1g/l,(nh4)2so41g/l,檸檬酸鈉0.5g/l。培養(yǎng)5h添加1mmol/l的iptg進(jìn)行誘導(dǎo),誘導(dǎo)溫度為37℃,每4h取樣一次測(cè)定果糖軟骨素的產(chǎn)量。為測(cè)定果糖軟骨素的產(chǎn)量,收集發(fā)酵液,10000rpm下室溫離心15min,上清轉(zhuǎn)移至另一離心管中,加入3倍體積的無(wú)水乙醇充分混勻至4℃冰箱醇沉過(guò)夜。10000rpm離心10min,去除液體,白色沉淀置于65℃10min,然后用超純水復(fù)溶,用于下一步產(chǎn)量的測(cè)定。整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程以大腸桿菌k4為對(duì)照,但不加入氨芐青霉素。

根據(jù)果糖軟骨素的產(chǎn)量測(cè)定,結(jié)果如圖3所示,發(fā)酵37h,原始菌株k4、重組菌株zq31、zq32、zq33果糖軟骨素產(chǎn)量分別為0.106、0.115、0.206、0.418g/l,較原菌產(chǎn)量均有所提高,其中zq33較原菌提高了294.3%。

實(shí)施例7:重組菌株zq33在5l發(fā)酵罐進(jìn)行分批補(bǔ)料發(fā)酵

挑取zq33重組菌株進(jìn)行上罐發(fā)酵。單克隆接種于50ml(500ml搖瓶)含有10mg/mlamp的lb培養(yǎng)基作為上罐的種子液,置于37℃200rpm培養(yǎng)10h。發(fā)酵罐裝液量為2.5l,發(fā)酵培養(yǎng)基為:甘油10g/l,大豆蛋白胨1g/l,kh2po42g/l,k2hpo410g/l,mgcl20.1g/l,(nh4)2so41g/l,檸檬酸鈉0.5g/l;補(bǔ)料培養(yǎng)基:甘油400g/l,大豆蛋白胨40g/l;37℃下補(bǔ)料分批發(fā)酵。發(fā)酵培養(yǎng)基的ph控制為7.0。按10%的接種量接種至發(fā)酵罐中,培養(yǎng)5h添加1mmol/l的iptg進(jìn)行誘導(dǎo),發(fā)酵過(guò)程中,當(dāng)溶氧陡然上升,開(kāi)始進(jìn)行補(bǔ)料,補(bǔ)料策略為ph-stat,當(dāng)ph超過(guò)7.0時(shí),開(kāi)始補(bǔ)料,當(dāng)ph低于7.0時(shí),停止補(bǔ)料,補(bǔ)料周期為5s,補(bǔ)料持續(xù)至發(fā)酵結(jié)束,每4h取樣一次測(cè)定果糖軟骨素的產(chǎn)量。果糖軟骨素處理及測(cè)定方法同實(shí)施例6。

根據(jù)果糖軟骨素的產(chǎn)量測(cè)定,結(jié)果如圖4所示,發(fā)酵36h,重組菌株zq33和未過(guò)表達(dá)磷酸葡萄糖胺變位酶和氨基轉(zhuǎn)移酶的野生型菌株產(chǎn)量均達(dá)到最大值,分別為3.99g/l和1.91g/l。

以上結(jié)果說(shuō)明,本發(fā)明技術(shù)采用基因工程技術(shù),過(guò)量表達(dá)果糖軟骨素合成路徑上的葡萄糖胺變位酶glmm和氨基轉(zhuǎn)移酶glms能夠有效提高果糖軟骨素的產(chǎn)量。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開(kāi)如上,但其并非用以限定本發(fā)明,任何熟悉此技術(shù)的人,在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi),都可做各種的改動(dòng)與修飾,因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)所界定的為準(zhǔn)。

序列表

<110>江南大學(xué)

<120>一種高效生產(chǎn)果糖軟骨素的重組大腸桿菌及其構(gòu)建方法

<160>15

<170>patentinversion3.3

<210>1

<211>445

<212>prt

<213>大腸桿菌k4(escherichiacolik4atcc23502)

<400>1

metserasnarglystyrpheglythraspglyileargglyargval

151015

glyaspalaproilethrproaspphevalleulysleuglytrpala

202530

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354045

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<210>2

<211>608

<212>prt

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