技术领域
本发明涉及生产L-苯丙氨酸的工程菌及其应用。
背景技术
L-苯丙氨酸(L-phenylalanine)是人体必须的氨基酸之一,广泛应用于食品、饲 料、医药和化妆品等领域。低热量、高甜度的二肽甜味剂阿斯巴甜(Aspartame)的应 用日益广泛,作为合成阿斯巴甜两种原料之一的L-苯丙氨酸的市场需求量迅速增加。 另外,L-苯丙氨酸也是抗肿瘤药物和氨基酸输液制剂的必需原料,随着其在医药领域 的应用不断扩展,需求量也将不断增加。
传统的菌株选育是从自然界中筛选有产L-苯丙氨酸能力的菌株,并建立其培养条 件开始的。但是该方法所能积累的氨基酸种类有限,后来在确立突变技术和阐明氨基 酸合成系统调节机制的基础上发展为营养缺陷变异株、抗药性菌株的选育,但是采用 常规诱变育种的方法,盲目性大,工作量繁重,不能增加基因的数量,且突变株一般 都携带营养缺陷,产量进一步提高受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供生产L-苯丙氨酸的工程菌及其应用。
本发明保护将重组质粒导入大肠杆菌得到的重组菌;所述重组质粒为将pheA蛋白 的编码基因、aroD蛋白的编码基因、aroE蛋白的编码基因和talA蛋白的编码基因插 入出发载体的多克隆位点得到的重组质粒;所述大肠杆菌的CICC编号为10245;所述 pheA蛋白如序列表的序列1所示;所述aroD蛋白如序列表的序列3所示;所述aroE 蛋白如序列表的序列5所示;所述talA蛋白如序列表的序列7所示。
所述pheA蛋白的编码基因可如序列表的序列2所示;所述aroD蛋白的编码基因 可如序列表的序列4所示;所述aroE蛋白的编码基因可如序列表的序列6所示;所述 talA蛋白的编码基因可如序列表的序列8所示。
所述重组质粒中,自上游至下游可依次包括所述pheA蛋白的编码基因、所述aroD 蛋白的编码基因、所述aroE蛋白的编码基因和所述talA蛋白的编码基因。
所述出发载体具体可为载体pBV220。
所述重组质粒具体可为将所述pheA蛋白的编码基因插入所述载体pBV220的 BglII酶切位点、所述aroD蛋白的编码基因插入所述载体pBV220的EcoRI和BamHI 酶切位点之间、所述aroE蛋白的编码基因插入所述载体pBV220的BamHI和SacI酶切 位点之间、所述talA蛋白的编码基因插入所述载体pBV220的SacI酶切位点得到的重 组质粒。
所述重组菌为具体可为大肠杆菌(Escherichia coli)MF0018。大肠杆菌 (Escherichia coli)MF0018简称大肠杆菌MF0018,已于2012年3月2日保藏于中 国典型培养物保藏中心(简称CCTCC;地址:中国武汉,武汉大学;邮编:430072), 保藏编号为CCTCC NO:M 2012051。
以上任一所述重组菌均可用于生产L-苯丙氨酸。
本发明还保护一种生产L-苯丙氨酸的方法,包括如下步骤:将以上任一所述的重 组菌进行发酵,得到L-苯丙氨酸。
所述发酵的条件可为37℃、溶氧50-70%、48小时。所述发酵采用的发酵培养基具 体如下:由溶质和水组成;溶质及其在发酵培养基中的浓度如下:Na2HPO4·12H2O 20g/L、 柠檬酸钠8g/L、谷氨酸钠0.5g/L、酪氨酸0.8g/L、葡萄糖20g/L和氨苄青霉素50mg/L。 所述发酵培养基的pH具体可为7。所述发酵过程中通过补加葡萄糖控制发酵体系的葡萄 糖含量为4g/L。
所述重组菌具体可以以种子液的方式接种至所述发酵培养基。所述种子液是将所 述重组菌接种至种子培养基进行培养得到的。所述种子液的OD610nm具体可为30。所述种 子液与所述发酵培养基的体积配比具体可为1∶4。所述培养的条件可为37℃、溶氧 50-70%、12小时。所述种子培养基具体由溶质和水组成;溶质及其在发酵培养基中的 浓度如下:蛋白胨1g/100mL、氯化钠1g/100mL、酵母粉0.5g/100mL和氨苄青霉素 50μg/mL。所述种子培养基的pH具体可为7。
本发明的提供的工程菌可直接发酵得到L-苯丙氨酸,发酵48小时后,发酵液中的 L-苯丙氨酸含量高达75g/L,极具生产应用价值。
附图说明
图1为载体pBV220的结构示意图。
图2为重组质粒pBV220-pheA的结构示意图。
图3为重组质粒pBV220-pheA-aroD的结构示意图。
图4为重组质粒pBV220-pheA-aroD-aroE的结构示意图。
图5为重组质粒pBV-pheA-aroD-aroE-talA的结构示意图。
图6为氨基酸标准溶液的HPLC谱图。
图7为发酵液的稀释液的HPLC谱图。
图8为对照液的稀释液的HPLC谱图。
具体实施方式
以下的实施例便于更好地理解本发明,但并不限定本发明。下述实施例中的实验 方法,如无特殊说明,均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料,如无特殊说明, 均为自常规生化试剂商店购买得到的。以下实施例中的定量试验,均设置三次重复实 验,结果取平均值。
大肠杆菌(Escherichia coli)获自中国工业微生物菌种保藏管理中心 (www.china-cicc.org,简称CICC),编号为10245,简称大肠杆菌10245。
实施例1、重组质粒pBV-pheA-aroD-aroE-talA的构建
一、重组质粒pBV220-pheA的构建
1、以大肠杆菌10245的基因组DNA为模板,用F1和R1组成的引物对进行PCR扩增, 得到PCR扩增产物。
F1:5’-GAGATCTATGACATCGGAAAACCCGTTACT-3’(下划线标注BgLII酶切识别序 列);
R1:5’-GAAGATCTTCAGGTTGGATCAACAGGCACTA-3’(下划线标注BgLII酶切识别序 列)。
F1和R1的靶序列如序列表的序列2所示(序列表的序列2所示基因即为pheA基 因,编码序列表的序列1所示的pheA蛋白)。
PCR扩增条件:94℃预变性5分钟;94℃变性1分钟、56℃退火1分钟、72℃延伸1 分钟30秒,30个循环;72℃保温10分钟。
2、回收PCR扩增产物(约1200bp)并用限制性内切酶BglII进行酶切,回收酶 切产物。
3、用限制性内切酶BglII酶切载体pBV220(从北京鼎国昌盛生物技术有限责任公 司购得,结构示意图见图1),回收载体骨架(约3.6kb)。
4、将步骤2的酶切产物和步骤3的载体骨架连接,得到重组质粒pBV220-pheA。重 组质粒pBV220-pheA的结构示意图见图2。根据测序结果,对重组质粒pBV220-pheA进行 结构描述如下:在载体pBV220的BglII酶切位点之间插入了序列表的序列2所示的pheA 基因。
二、重组质粒pBV220-pheA-aroD的构建
1、以大肠杆菌10245的基因组DNA为模板,用F2和R2组成的引物对进行PCR扩增, 得到PCR扩增产物。
F2:5’-CGGAATTCATGAAAACCGTAACTGTAAA-3’(下划线标注EcoRI酶切识别序列);
R2:5’-CGGGATCCTTATGCCTGGTGTAAAATAGT-3’(下划线标注BamHI酶切识别序列)。
F2和R2的靶序列如序列表的序列4所示(序列表的序列4所示基因即为aroD基 因,编码序列表的序列3所示的aroD蛋白)。
PCR扩增条件:94℃预变性5分钟;94℃变性1分钟、56℃退火1分钟、72℃延伸1 分钟,30个循环;72℃保温10分钟。
2、回收PCR扩增产物(约800bp)并用限制性内切酶EcoRI和BamHI进行双酶切, 回收酶切产物。
3、用限制性内切酶EcoRI和BamHI双酶切重组质粒pBV220-pheA,回收载体骨架(约 4.9kb)。
4、将步骤2的酶切产物和步骤3的载体骨架连接,得到重组质粒pBV220-pheA-aroD。 重组质粒pBV220-pheA-aroD的结构示意图见图3。根据测序结果,对重组质粒 pBV220-pheA-aroD进行结构描述如下:在重组质粒pBV220-pheA的EcoRI和BamHI酶切位 点之间插入了序列表的序列4所示的aroD基因。
三、重组质粒pBV220-pheA-aroD-aroE的构建
1、以大肠杆菌10245的基因组DNA为模板,用F3和R3组成的引物对进行PCR扩增, 得到PCR扩增产物。
F3:5’-CGGGATCCATGGAAACCTATGCTGTTTTTGGTA-3’(下划线标注BamHI酶切识别 序列);
R3:5’-GCGTCGACTCACGCGGACAATTCCTCCTGC-3’(下划线标注SacI酶切识别序列)。
F3和R3的靶序列如序列表的序列6所示(序列表的序列6所示基因即为aroE基 因,编码序列表的序列5所示的aroE蛋白)。
PCR扩增条件:94℃预变性5分钟;94℃变性1分钟、56℃退火1分钟、72℃延伸1 分钟,30个循环;72℃保温10分钟。
2、回收PCR扩增产物(约800bp)并用限制性内切酶BamHI和SacI进行双酶切, 回收酶切产物。
3、用限制性内切酶BamHI和SacI双酶切重组质粒pBV220-pheA-aroD,回收载体骨 架(约5.7kb)。
4、将步骤2的酶切产物和步骤3的载体骨架连接,得到重组质粒 pBV220-pheA-aroD-aroE。重组质粒pBV220-pheA-aroD-aroE的结构示意图见图4。根据 测序结果,对重组质粒pBV220-pheA-aroD-aroE进行结构描述如下:在重组质粒 pBV220-pheA-aroD的BamHI和SacI酶切位点之间插入了序列表的序列6所示的aroE基 因。
四、重组质粒pBV220-pheA-aroD-aroE-talA的构建
1、以大肠杆菌10245的基因组DNA为模板,用F4和R4组成的引物对进行PCR扩增, 得到PCR扩增产物。
F4:5’-GCGTCGACATGAACGAGTTAGACGGCAT-3’(下划线标注SacI酶切识别序列);
R4:5’-GCGTCGACTTATAGTTTGGCGGCAAGAAG-3’(下划线标注SacI酶切识别序列)。
F4和R4的靶序列如序列表的序列8所示(序列表的序列8所示基因即为talA基 因,编码序列表的序列7所示的talA蛋白)。
PCR扩增条件:94℃预变性5分钟;94℃变性1分钟、56℃退火1分钟、72℃延伸1 分钟10秒,30个循环;72℃保温10分钟。
2、回收PCR扩增产物(约1000bp)并用限制性内切酶SacI进行酶切,回收酶切 产物。
3、用限制性内切酶SacI酶切重组质粒pBV220-pheA-aroD-aroE,回收载体骨架(约 6.5kb)。
4、将步骤2的酶切产物和步骤3的载体骨架连接,得到重组质粒 pBV220-pheA-aroD-aroE-talA。重组质粒pBV220-pheA-aroD-aroE-talA的结构示意图 见图5。根据测序结果,对重组质粒pBV220-pheA-aroD-aroE-talA进行结构描述如下: 在重组质粒pBV220-pheA-aroD-aroE的SacI酶切位点之间插入了序列表的序列8所示的 talA基因。
实施例2、工程菌的构建
将重组质粒pBV220-pheA-aroD-aroE-talA电击转化大肠杆菌10245原生质体,然 后用F1和R4组成的引物对进行PCR鉴定(显示约4kb的特异条带的为PCR鉴定阳性), 得到重组菌。
将一株重组菌命名为大肠杆菌(Escherichia coli)MF0018。大肠杆菌 (Escherichia coli)MF0018简称大肠杆菌MF0018,已于2012年3月2日保藏于中 国典型培养物保藏中心(简称CCTCC;地址:中国武汉,武汉大学;邮编:430072), 保藏编号为CCTCC NO:M 2012051。
实施例3、应用大肠杆菌MF0018生产L-苯丙氨酸
一、应用大肠杆菌MF0018生产L-苯丙氨酸
1、种子培养(采用30L全自动发酵罐,种子培养基装液量为15L)
将大肠杆菌MF0018接种至种子培养基,发酵罐控制参数为37℃、溶氧(DO)50-70%, 培养12小时,得到种子液(种子液的OD610nm=30)。
种子培养基(LB培养基,pH7.0)由溶质和水组成;溶质及其在发酵培养基中的浓 度如下:蛋白胨1g/100mL、氯化钠1g/100mL、酵母粉0.5g/100mL和氨苄青霉素50μg/mL。
2、发酵培养(采用30L全自动发酵罐,发酵培养基装液量15L)
将1体积份种子液接种至4体积份发酵培养基;发酵罐控制参数为37℃、溶氧(DO) 50-70%,发酵体系中的葡萄糖含量低于4g/L时,由发酵罐自动补加700g/L的葡萄糖水 溶液,保持发酵体系的葡萄糖含量为4g/L;发酵时间为48小时。
发酵培养基(pH7.0)由溶质和水组成;溶质及其在发酵培养基中的浓度如下: Na2HPO4·12H2O 20g/L、柠檬酸钠8g/L、谷氨酸钠0.5g/L、酪氨酸0.8g/L、葡萄糖20g/L 和氨苄青霉素50mg/L。
4、将步骤3的发酵体系离心(4500rpm、15min),收集上清液(发酵液)。
5、将发酵液用水稀释至200倍体积后进行步骤三的液相检测。
二、对照液的制备
将大肠杆菌10245代替大肠杆菌MF0018进行步骤一的实验,收集上清液(对照液)。 将对照液用水稀释至100倍体积后进行步骤三的液相检测。
三、发酵液中L-苯丙氨酸浓度的测定
L-苯丙氨酸(phe)浓度的测定方法采用氨基酸常用测定方法,即高效液相色谱 (HPLC)柱前衍生化方法(Rapid,accμrate,senstitive,and reprodicobLe HPLC anaLysis of amino acida.Henderson,J.W,Ricker,R.D.,BidLingmeyer,B.A., Woodward,C.,AgiLent TechnoLogier,MSA,2000)。
样品溶液中L-苯丙氨酸浓度(μg/mL)=f1/f2×C;f1=样品溶液中L-苯丙氨酸的 峰面积/内标的峰面积;f2=氨基酸标准溶液中L-苯丙氨酸的面积/内标的峰面积;C= 氨基酸标准溶液中的L-苯丙氨酸(μg/mL)。
色谱柱:AgeLa VenμsiL AA柱,(4.6*250mm,5μm);柱温:40℃;监测波长: 254nm;
流动相A的制备方法:取15.2g无水醋酸钠,加水1850mL,溶解后用冰醋酸调pH至 6.5,然后加140mL乙腈,混匀,用0.45μm滤膜过滤;
流动相B:由4体积份乙腈和1体积份水组成;
流速:1mL/min。
正亮氨酸内标溶液的制备方法:取正亮氨酸(NLe)10mg,加10mL 0.1moL/L盐酸水 溶液,溶解。
氨基酸标准溶液:购买于天津博纳艾杰尔科技有限公司,其中苯丙氨酸浓度为 2.5μmoL/mL。
氨基酸标准溶液和样品溶液的衍生,依次进行如下步骤:
(1)分别量取氨基酸标准溶液和待测样品液各200μL,分别置于1.5mL离心管中;
(2)每个离心管中加入正亮氨酸内标溶液20μL;
(3)每个离心管中加入100μL三乙胺乙腈溶液(1.4mL三乙胺中加入8.6mL乙腈, 混匀)和100μL异硫氰酸苯酯乙腈溶液(25μL异硫氰酸苯酯加入2mL乙腈,混匀), 混匀,室温放置1小时;
(4)每个离心管中加入400μL正己烷,振摇后放置10min;
(5)取下层溶液(PTC-苯丙氨酸),用0.45μm针式滤器过滤;
(6)取滤液200μL,加800μL水稀释,摇匀,进样10μL。
梯度洗脱过程:第0-2min的洗脱液为流动相A;第2-14min的洗脱液由流动相A和流 动相B组成,流动相A在洗脱液中的体积份数由100%线性下降至93%;第14-29min的洗脱 液由流动相A和流动相B组成,流动相A在洗脱液中的体积份数由93%线性下降至70%;第 29-32min的洗脱液由流动相A和流动相B组成,流动相A在洗脱液中的体积份数由70%线 性下降至50%;第32-33min的洗脱液由流动相A和流动相B组成,流动相A在洗脱液中的 体积份数由50%线性上升至100%;第33-39min的洗脱液为流动相A;第39-45min的洗脱 液由流动相A和流动相B组成,流动相A在洗脱液中的体积份数由100%线性下降至0%;第 45min的洗脱液为流动相B。
氨基酸标准溶液的HPLC谱图见图6。NLe的峰面积为1301485。phe的峰面积为 3770598,保留时间为33.65min。
发酵液的稀释液的HPLC谱图见图7。phe的峰面积为7300825。
对照液的稀释液的HPLC谱图见图8。phe的峰面积为4825418。
发酵液中的L-苯丙氨酸浓度为75g/L,对照液中的L-苯丙氨酸浓度为21g/L。大肠 杆菌MF0018比大肠杆菌10245产L-苯丙氨酸提高约3.6倍,具有很高的生产价值。