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木醋桿菌基因重組菌及其構(gòu)建方法與應(yīng)用與流程

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木醋桿菌基因重組菌及其構(gòu)建方法與應(yīng)用與流程

本發(fā)明屬于生物工程技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一株木醋桿菌基因重組菌及其構(gòu)建方法與應(yīng)用。



背景技術(shù):

細(xì)菌纖維素(bc)是由細(xì)菌新陳代謝的產(chǎn)物形成的不含木素、半纖維素以及其他抽提物的高結(jié)晶度的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)使得bc有著一些特有的特點(diǎn),如高純度,高結(jié)晶度,高保水值、抗菌性、無(wú)毒性、生物相容性和生物降解性等,從而在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。然而在目前的實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)中,木醋桿菌產(chǎn)細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量卻很低,因此需要提高細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量。

木醋桿菌生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的過(guò)程是在葡萄糖激酶的作用下葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖-6-磷酸,葡萄糖磷酸變位酶將葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)化為葡萄糖-1-磷酸,在udpg焦磷酸化酶的作用下,葡萄糖-1-磷酸轉(zhuǎn)化為尿苷二磷酸葡萄糖。最后纖維素合酶把尿苷二磷酸葡萄糖轉(zhuǎn)化為細(xì)菌纖維素。在木醋桿菌產(chǎn)細(xì)菌纖維素的過(guò)程中,起限速作用的酶纖維素合酶,纖維素合酶包含多個(gè)亞基,其中最主要的亞基為bcsa、bcsb、bcsc、bcsd,bcsa、bcsb主要與細(xì)菌纖維素的合成相關(guān)。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是一株木醋桿菌基因重組菌,以提高細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量。

本發(fā)明還要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供上述木醋桿菌基因重組菌的構(gòu)建方法。

本發(fā)明最后要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供上述木醋桿菌基因重組菌在發(fā)酵產(chǎn)細(xì)菌纖維素中的應(yīng)用。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:

一株木醋桿菌基因重組菌,在木醋桿菌中過(guò)表達(dá)纖維素合酶中的bcsd亞基。所述纖維素合酶的bcsd亞基與細(xì)菌纖維素的分泌密切相關(guān),細(xì)菌纖維素產(chǎn)生菌種過(guò)表達(dá)該基因可以促進(jìn)細(xì)菌纖維素的分泌。

其中,所述木醋桿菌為木醋桿菌atcc700178。

其中,所述纖維素合酶中的bcsd亞基,其基因序列如seqidno:1所示。

上述木醋桿菌基因重組菌的構(gòu)建方法,包括如下步驟:

(1)將纖維素合酶中的bcsd亞基的基因序列克隆到表達(dá)質(zhì)粒中,得到重組質(zhì)粒;

(2)將步驟(1)中重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化木醋桿菌,既得到木醋桿菌基因重組菌。

其中,步驟(1)中,所述表達(dá)質(zhì)粒為psa-19。

其中,步驟(2)中,所述木醋桿菌木醋桿菌atcc700178。

上述木醋桿菌基因重組菌在發(fā)酵產(chǎn)細(xì)菌纖維素中的應(yīng)用。

有益效果:本發(fā)明公開(kāi)了一種在木醋桿菌中過(guò)表達(dá)纖維素合酶中的bcsd亞基,以提到細(xì)菌纖維素產(chǎn)量的方法,研究表明,構(gòu)建得到的重組菌的細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量比出發(fā)菌高出了2~4g/l。本發(fā)明有利于提高細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量,從而減輕細(xì)菌纖維素產(chǎn)量低對(duì)于其應(yīng)用的限制。

附圖說(shuō)明

圖1重組菌pcr結(jié)果驗(yàn)證。第一泳道為2000的marker的條帶。

圖2x-射線衍射圖譜。

圖3熱重力分析曲線。

圖4細(xì)菌纖維素的紅外光譜圖。

圖5細(xì)菌纖維素的掃描電鏡照片。

圖6出發(fā)菌和重組菌發(fā)酵結(jié)果對(duì)比圖。

圖7出發(fā)菌和重組菌發(fā)酵結(jié)果對(duì)比圖。

圖8出發(fā)菌和重組菌發(fā)酵結(jié)果對(duì)比圖。

圖9出發(fā)菌和重組菌發(fā)酵結(jié)果對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明公開(kāi)了兩種菌株、其制備方法及應(yīng)用,以及該菌株的發(fā)酵方法,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以借鑒本文內(nèi)容,適當(dāng)改進(jìn)工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)。特別需要指出的是,所有類似的替換和改動(dòng)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的,它們都被視為包括在本發(fā)明內(nèi)。本發(fā)明的方法及應(yīng)用已經(jīng)通過(guò)較佳實(shí)施例進(jìn)行了描述,相關(guān)人員明顯能在不脫離本發(fā)明內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對(duì)本文所述的方法和應(yīng)用進(jìn)行改動(dòng)或適當(dāng)變更與組合,來(lái)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用本發(fā)明技術(shù)。

實(shí)施例1、木醋桿菌纖維素合酶亞基bcsd基因的克隆。

首先對(duì)于木醋桿菌的纖維素合酶中與細(xì)菌纖維素分泌相關(guān)的亞基(bcsd)進(jìn)行擴(kuò)增及序列測(cè)定,經(jīng)過(guò)擴(kuò)增得到約470bp的dna片段。具體過(guò)程如下:

首先,提取木醋桿菌atcc700178的基因組。根據(jù)ncbi上提交的木醋桿菌纖維素合酶(如komagataeibactersucrofermentansdsm15973bcsd、komagataeibacterxylinusbcsd)的基因序列設(shè)計(jì)引物對(duì)bcsd-fa、bcsd-rc,以提取的木醋桿菌atcc700178的基因組為模板進(jìn)行pcr擴(kuò)增。pcr反應(yīng)體系為2×pcrbufferforkodfx,25.0μl;dntps(2mm)10μl;bcsd-fa,bcsd-rc各1.5μl;kod1μl;模板1μl;用無(wú)菌水補(bǔ)充至50μl,然后將其分裝成25μl/管。反應(yīng)條件:94℃2min;98℃10sec;55℃30sec;68℃30sec;68℃10min;38個(gè)循環(huán).擴(kuò)增得到的pcr產(chǎn)物通過(guò)凝膠回收試劑盒純化。

上述所需引物如下:

bcsd-fa:tatgaccatgattacgaattctgacaactttgaacgcaaaaccggactttt

bcsd-rc:cttgcatgcctgcaggtcgactcaggtcgcggcgctgcggg

實(shí)施例2:重組質(zhì)粒psa19-bcsd的構(gòu)建及驗(yàn)證。

根據(jù)ncbi上木醋桿菌內(nèi)源性質(zhì)粒序列合成質(zhì)粒片段pah4,將質(zhì)粒pah4(其核苷酸序列如seqidno:2所示)和質(zhì)粒puc18用hindiii單酶切后重組,得到帶氨芐抗性的重組質(zhì)粒psa19。用ecori和sali雙酶切psa19質(zhì)粒,凝膠回收。通過(guò)一步克隆將上述膠回收得到的目的片段連到psa19質(zhì)粒上,從而構(gòu)建了以氨芐抗性為選擇標(biāo)記的載體psa19-bcsd。然后對(duì)于psa19-bcsd載體進(jìn)行驗(yàn)證,進(jìn)行雙酶切驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果電泳結(jié)果如圖,結(jié)果與預(yù)期相符,將雙酶切結(jié)果與預(yù)期相符的質(zhì)粒送測(cè)序,測(cè)序得到的bcsd與komagataeibactersucrofermentansdsm15973的bcsd序列對(duì)比,兩者序列一致,序列與預(yù)期相符,證明該載體構(gòu)建成功。

實(shí)施例3:psa19-bcsd載體轉(zhuǎn)木醋桿菌atcc700178轉(zhuǎn)化子的構(gòu)建及分子驗(yàn)證。

將1μgpsa19-bcsd載體轉(zhuǎn)化木醋桿菌atcc700178,轉(zhuǎn)化過(guò)程采用電轉(zhuǎn)化法。在含有氨芐抗性的選擇培養(yǎng)基上對(duì)轉(zhuǎn)化子進(jìn)行篩選,最終得到一株遺傳穩(wěn)定的木醋桿菌psa19-bcsd轉(zhuǎn)化子。經(jīng)pcr驗(yàn)證,證明上述轉(zhuǎn)化子成功插入psa19-bcsd質(zhì)粒

上述的電轉(zhuǎn)化的具體方法如下:

感受態(tài)的制備:

(1)從平板上刮一環(huán)木醋桿菌種子于裝有100ml種子液的500ml錐形瓶中,同時(shí)加入過(guò)膜除菌的纖維素酶使得每毫升培養(yǎng)基中的纖維素酶量為0.5u,30℃,150rpm,培養(yǎng)18h,使得菌液的od值在0.6-0.8之間。

(2)將培養(yǎng)得到的菌液5000rpm,離心5min,棄上清收集菌體,再用5ml的epb溶液(284mmol的蔗糖溶液和100mmol,ph7.4的磷酸鹽緩沖液分別滅菌后以1:19比例混合得到)洗滌兩次。最后加3.3ml的epb溶液重懸,分裝,每管560μl。

木醋桿菌的轉(zhuǎn)化:

將得到的質(zhì)粒psa19-bcsd20μl(濃度約為30ng/μl)加入上述分裝的感受態(tài)中,于冰上放置10min后,轉(zhuǎn)入2mm電轉(zhuǎn)杯中,加入電轉(zhuǎn)儀中電轉(zhuǎn),電轉(zhuǎn)條件為電壓3000v,電阻200ω,電容25μf。

復(fù)蘇、涂板:

在電轉(zhuǎn)化后的菌中加入1ml的含有纖維素酶的種子液,再在30℃,150rpm,復(fù)蘇3h。復(fù)蘇完成后,取100μl上述菌液涂布于含有75μg/ml的氨芐抗性的瓊脂培養(yǎng)基,30℃,培養(yǎng)3-4天,挑選在瓊脂培養(yǎng)基上長(zhǎng)出的轉(zhuǎn)化子。同時(shí)對(duì)于沒(méi)有加入目的質(zhì)粒的感受態(tài)按照同樣的方法進(jìn)行,按照相同的量涂布于相同的瓊脂培養(yǎng)基上作為感受態(tài)生長(zhǎng)情況檢測(cè)及陰性對(duì)照。

上述的瓊脂培養(yǎng)基(即選擇培養(yǎng)基):葡萄糖22g/l,酵母膏5g/l,蛋白胨5g/l,瓊脂20g/l,氨芐抗生素75μg/ml

將選擇平板上長(zhǎng)出的轉(zhuǎn)化子進(jìn)一步挑取到轉(zhuǎn)化基本培養(yǎng)基平板上進(jìn)行復(fù)篩,將復(fù)篩培養(yǎng)基上挑選得到的轉(zhuǎn)化子進(jìn)行菌落pcr驗(yàn)證,驗(yàn)證的引物對(duì)為yz-d-1、yz-d-2;pcr結(jié)果的凝膠電泳圖如圖1所示。

yz-d-1:gagttagctcactcattaggcaccc;

yz-d-2:cgcgtcgatatcacgcgtcacgacataatc。

實(shí)施例4:將重組菌木醋桿菌atcc700178-bcsd進(jìn)行發(fā)酵驗(yàn)證。

將木醋桿菌轉(zhuǎn)化子和出發(fā)菌株分別活化,接種到種子培養(yǎng)基中,30℃,100rpm(搖床)培養(yǎng)18-20h后,接種于100ml(500ml的三角瓶)發(fā)酵培養(yǎng)基中,同時(shí)在發(fā)酵培養(yǎng)基中加入1ml無(wú)水乙醇。接種的同時(shí),取樣測(cè)定初始糖濃度。于30℃靜置培養(yǎng)6d后,用蒸餾水過(guò)夜沖洗纖維素膜以除去膜表面的培養(yǎng)基及雜質(zhì),再將纖維素膜浸泡在0.5m的氫氧化鈉溶液中煮沸1h至乳白色半透明以除去附著的菌體,將處理后的纖維素膜在濾紙上瀝干,稱重(即纖維素濕重),將瀝干的纖維素膜在烘箱中于65℃烘至恒重,稱重(即纖維素干重)以及殘?zhí)菨舛?,發(fā)酵結(jié)果如圖6~9所示,圖6~9中,0原始菌;d為過(guò)表達(dá)bcsd的木醋桿菌重組菌。

發(fā)酵培養(yǎng)基(g/l):葡萄糖22,酵母膏5,蛋白胨5,十二水磷酸氫二鈉2.7,檸檬酸1.2,檸檬酸三鈉20,無(wú)水硫酸鎂5.7,硫酸銨2。

實(shí)施例5:重組菌株所產(chǎn)的細(xì)菌纖維素的性能分析。

1.x-衍射(xrd)分析

將過(guò)表達(dá)bcsd的重組菌株產(chǎn)生的細(xì)菌纖維素取一部分樣品用于x-衍射,熱重力分析,紅外光譜及掃描電鏡,結(jié)果如圖2所示。由重組菌株所產(chǎn)的細(xì)菌纖維素的x-射線衍射圖譜(圖2)可看出,發(fā)酵產(chǎn)物經(jīng)純化后得到的衍射圖在2θ=22.5°和2θ=16°以及2θ=14°處各有一個(gè)明顯的衍射峰,與纖維素i型晶體峰值位置(2θ=14°,16°,22°)完全吻合,所得的細(xì)菌纖維素成分為纖維素,且晶體結(jié)構(gòu)屬于纖維素i型。

2.熱重力分析

由重組菌株所產(chǎn)的細(xì)菌纖維素的熱重力分析曲線(圖3)可看出,細(xì)菌纖維素在0~100℃,纖維素質(zhì)量幾乎無(wú)變化,在150~300℃由于纖維素結(jié)構(gòu)中的糖苷鍵的斷裂、解聚,纖維素不斷失重。從200℃開(kāi)始迅速降低,且在250℃左右具有最大失重速率,之后在450℃處結(jié)束其反應(yīng)失重。在600℃時(shí),細(xì)菌纖維素質(zhì)量出現(xiàn)突然的下降,當(dāng)溫度高于600℃后,纖維素質(zhì)量進(jìn)一步下降,這是由于該階段中纖維素結(jié)構(gòu)的殘留物質(zhì)發(fā)生進(jìn)一步化學(xué)而變成分子量更低的揮發(fā)性物質(zhì)。

3.紅外光譜分析

從圖3可以看到在3200cm-1-3500cm-1處的吸收峰寬且強(qiáng),這歸因于細(xì)菌纖維素分子間的氫鍵的伸縮振動(dòng),在2900cm-1處顯示的是ch2-ch中的c-h伸縮振動(dòng)的吸收峰,在1700cm-1左右顯示的是羥基o-h的彎曲振動(dòng)的吸收峰;在1400-1500cm-1范圍出現(xiàn)的吸收峰則是由于亞甲基、次甲基的c-h彎曲振動(dòng)所引起的;在1350cm-1左右出現(xiàn)的吸收峰是由于o-h的面內(nèi)振動(dòng)所產(chǎn)生的;1000-1200cm-1范圍內(nèi)則屬于c-o伸縮振動(dòng)吸收峰。這些特征峰可說(shuō)明該細(xì)菌纖維素為純纖維素。

4.掃描電鏡

圖4為細(xì)菌纖維素的掃描電鏡照片,由圖4可知,微纖維間相互交錯(cuò)形成納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在8000倍下課看出薄膜是由許多纖維絲連接交織而成。這一結(jié)構(gòu)特征使得細(xì)菌纖維素具有高結(jié)晶度、高持水性等優(yōu)良性能。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出,對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾,這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。

序列表

<110>南京工業(yè)大學(xué)

<120>木醋桿菌基因重組菌及其構(gòu)建方法與應(yīng)用

<130>sg20170825

<160>6

<170>siposequencelisting1.0

<210>1

<211>471

<212>dna

<213>木醋桿菌(acetobacterxylophilus)

<400>1

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atcgatgatcaggccgggatcgaggtcaggaatgacctgttgcgcgaggtcggccggggt120

atggctggtcgtttccagccgccgctgtgcaacaccatccaccagctccagatcgagctg180

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ggcgccttcggtgattatgtcgtgacgcgtgatatcgacgcggaagacctgaactcggtc420

ccggcccagacggtcatcctgtacatgcgcacccgcagcgccgcgacctga471

<210>2

<211>4002

<212>dna

<213>人工序列(artificialsequence)

<400>2

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aatcgctccattatggcccgctgccgtcctgcctctcctgctccttccgctcgatggcat120

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