技术领域
本发明涉及一种提高大肠杆菌重组蛋白胞外分泌水平的方法,属于基因工程与发酵工程领域。
背景技术
大肠杆菌表达系统是目前基因工程中最常用的重组蛋白表达系统,有操作简单、成本低廉等优点,可以快速大规模地生产目的蛋白,但是在大肠杆菌的异源表达中,大部分重组蛋白在信号肽的引导下分泌到周质空间,会导致中间体大量积聚,对蛋白质的生产造成阻碍。
肽聚糖是由双糖单位,四肽尾还有肽桥聚合而成得多层网状大分子结构。肽聚糖层的骨架由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸通过β-1,4糖苷键连接而成,糖链间由肽链交联,构成稳定的网状结构,这样构成了整个细菌表面的细胞壁。作为细胞壁的主要成分,肽聚糖的组成与细胞结构的完整性、外膜的通透性的维持、细菌的抗干燥能力和耐热性等均密切相关。
发明内容
本发明提供一种提高大肠杆菌重组蛋白保外分泌水平的方法,是通过敲除dacA和dacB基因中的至少一个。
本发明还提供敲除dacA和/或dacB基因的方法,包括以下步骤:
1)获得敲除框片段:单敲除dacA或dacB基因时,设计并合成与目的基因有同源片段的引物,PCR扩增获得含有卡那霉素抗性基因并在其两侧含有FRT位点的片段,作为dac敲除框片段;复合敲除dacA和dacB时,设计引物,采用融合PCR的方式得到敲除框片段。
2)筛选阳性转化子:将pKD46质粒转化至E.coli BL21(DE3)感受态细胞,获得E.coli BL21(DE3)/pKD46菌株,制备电转化感受态细胞,将电转化感受态细胞与步骤(1)制得的敲除框片段混合后进行电转化,转化液经过后培养后涂布在含有卡那霉素、氨苄青霉素的LB培养基固体平板中培养,获得转化子;以菌落为模板,PCR扩增筛选出含有卡那霉素抗性基因的阳性转化子E.coli BL21(DE3)Δdac::kan/pKD46;
3)消除抗性基因:将E.coli BL21(DE3)Δdac::kan/pKD46接种到无抗性LB培养基培养,取菌液在无抗性LB平板上划线,将单菌落分别对应点在卡那霉素抗性平板和氨苄青霉素抗性平板上,在卡那霉素抗性平板上生长而氨苄青霉素抗性平板上不生长的菌株即为E.coli BL21(DE3)Δdac::kan;制备E.coli BL21(DE3)Δdac::kan电转感受态细胞,转化pCP20质粒,涂布于氨苄青霉素抗性、氯霉素抗性双抗性LB培养基平板上,获得含pCP20质粒的阳性转化子,将其接种到无抗性LB培养基中培养,消除pCP20质粒。
有益效果:
dacA基因和dacB基因表达的D,D-羧肽酶能够从肽聚糖五肽上移除最后一个末端D-Ala,导致转肽反应中供体不可用,可以控制肽聚糖的网状交联水平,对细胞壁肽聚糖层的合成与结构稳定具有调控作用,从而改变细胞的通透性。本发明公开了一种提高大肠杆菌重组蛋白胞外分泌水平的方法,属于基因工程与发酵工程领域。本发明通过敲除D-丙氨酰-D-丙氨酸羧肽酶dacA和dacB基因(单敲除和双敲除),获得重组蛋白胞外分泌水平显著提高的重组大肠杆菌突变株。采用绿色荧光蛋白(GFP)和淀粉酶为模式重组蛋白,证明了本发明方法可显著提高胞外蛋白的含量。单敲除和复合敲除dacA和dacB后,GFP胞外荧光值分别提高2.1、2.1和2.7倍;单敲除和复合敲除dacA和dacB后,淀粉酶胞外酶活力占总酶活力的比例分别由对照菌的40.7%提高至44.7%、62.1%和64.2%。本发明方法对重组蛋白在大肠杆菌中的高效分泌与生产具有重要指导意义。
附图说明
图1敲除了基因dacA、dacB的菌株的菌落PCR验证图。(a)基因dacA、dacB单敲除的菌株的菌落PCR验证;M:2000bp DNA Marker;1:BL21-ΔdacB菌株;2:BL21-ΔdacB::kan菌株;3:BL21-ΔdacA菌株;4:BL21-ΔdacA::kan菌株。(b)基因dacA、dacB复合敲除的菌株的菌落PCR验证;M:5000bp DNA Marker;1:BL21-ΔdacA/B菌株;2:BL21-ΔdacA/B::kan菌株;3:BL21-ΔdacB菌株。
图2基因dacA、dacB敲除对绿色荧光蛋白胞外分泌表达的影响。内图为SDS-PAGE凝胶电泳图;CK:BL21-pETDuet-gfp菌株;ΔdacA:BL21-ΔdacA-gfp菌株;ΔdacB:BL21-ΔdacB-gfp菌株;ΔdacA/B:BL21-ΔdacA/B-gfp菌株;M:标准蛋白Marker。
图3基因dacA、dacB敲除对淀粉酶胞内外分泌表达的影响。(a)淀粉酶酶活力;(b)SDS-PAGE凝胶电泳图;(c)淀粉酶比生产速率;(d)胞外淀粉酶酶活力占总酶活比重;CK:BL21-pETDuet-amyk菌株;△dacA:BL21-ΔdacA-amyk菌株;△dacB:BL21-ΔdacB-amyk菌株;△dacA/B:BL21-ΔdacA/B-amyk菌株;M:标准蛋白Marker。
具体实施方式
本发明中所用到的材料和方法:
1)培养基
LB固体培养基:15g/L琼脂,10g/L胰蛋白胨,5g/L酵母提取粉,10g/L NaCl,pH 7.0。
LB液体培养基:10g/L胰蛋白胨,5g/L酵母提取粉,10g/L NaCl,pH 7.0。
TB液体培养基:12g/L胰蛋白胨,24g酵母提取粉,甘油4mL,2.31g KH2PO4 12.54g K2HPO4,pH 7.5,定容到1L。
2)培养方法
种子培养:将平板划线长出的单菌落接到LB液体培养基中,培养转速200r/min,在37℃下恒温摇床培养8h。
发酵培养:将重组E.coli在LB培养基中37℃培养8h,然后按1%(v/v)的接种量接种到TB培养基中,37℃培养至OD600=0.8,加入终浓度为1mmol·L-1IPTG,25℃诱导表达。氨苄青霉素和氯霉素工作浓度均为50μg·mL-1,卡那霉素工作浓度为30μg·mL-1。
3)分析方法
生物量测定:测定600nm下的吸光光度值。
淀粉酶活性测定:淀粉酶的一个酶活力单位(U)定义:在pH 9.5和50℃下,每分钟水解淀粉释放1μmol还原糖(葡萄糖)所需的酶量。使用改良的二硝基水杨酸(DNS)法测定可溶性淀粉水解过程中产生的还原糖。
绿色荧光蛋白荧光测定:将菌液在4℃、1×104×g条件下离心10min,将上清与细胞分离,将菌体细胞用10mmol·L-1pH 7.4PBS磷酸盐缓冲液重悬,测定其菌浓OD600nm;使用酶标仪和96孔板测定上清中GFP的荧光强度。10mmol·L-1pH 7.4PBS的荧光值作为空白对照。激发和发射波长分别为488nm和533nm。
实施例1本实施例说明dacA和dacB基因敲除的大肠杆菌的构建过程
(1)分别敲除dacA、dacB:
以质粒pKD13为模板,设计引物并PCR扩增含有Kan抗性基因的用于替换目的基因dacA、dacB的同源片段,序列分别如SE ID NO.1、SEQ ID NO.2所示,电转化进入E.coliBL21(DE3)/pKD46感受态中,涂布含有卡那霉素(Kan)的平板,获得转化子BL21-ΔdacA::kan、BL21-ΔdacB::kan。通过菌落PCR扩增验证dac基因是否成功敲除,理论上,BL21-ΔdacA::kan、BL21-ΔdacB::kan应分别含有1504、1754bp的同源片段,如图1所示,菌落PCR获得的片段大小与理论上同源片段的大小相符。利用pCP20辅助质粒消除kan基因,抗性基因消除后BL21-ΔdacA、BL21-ΔdacB菌株中的同源片段理论上分别长268、518bp,菌落PCR扩增验证结果与理论值一致。BL21-ΔdacA、BL21-ΔdacB菌株在Kan、氨苄青霉素(Amp)平板上均不生长,在无抗性LB平板上正常生长。
(2)同时敲除dacA、dacB:
在复合敲除dacA和dacB时,为了提高重组效率,设计了较长的同源片段,采用融合PCR的方式得到敲除框片段,大小为2113bp,序列如SEQ ID NO.3所示,电转化进入E.coli BL21(DE3)/pKD46感受态中,涂布含有卡那霉素(Kan)的平板,获得转化子BL21-ΔdacA/B::kan。利用pCP20辅助质粒消除kan基因。原目的基因大小为1104bp,抗性基因消除后BL21-ΔdacA/B菌株的菌落PCR获得片段的大小理论值为877bp。菌落PCR验证与其片段理论大小相符,证明基因敲除成功。BL21-ΔdacA/B菌株在Kan、氨苄青霉素(Amp)平板上均不生长,在无抗性LB平板上正常生长。
实施例2本实施例说明敲除dacA和dacB对E.coli胞外生产重组绿色荧光蛋白的影响
本实施例中测定分析了基因敲除对E.coli胞外生产GFP的影响。将重组质粒pETDuet-gfp分别转化至实施例1构建的BL21-ΔdacA、BL21-ΔdacB和BL21-ΔdacA/B菌株中,构建重组突变株BL21-ΔdacA-gfp,BL21-ΔdacB-gfp和BL21-ΔdacA/B-gfp。将重组突变株BL21-ΔdacA-gfp,BL21-ΔdacB-gfp和BL21-ΔdacA/B-gfp在LB培养基中37℃培养8h,然后按1%(v/v)的接种量接种到TB培养基中,37℃培养至OD600=0.8,加入终浓度为1mmol·L-1IPTG,25℃诱导表达。测定绿色荧光蛋白荧光的含量。如图2所示,BL21-ΔdacA-gfp、BL21-ΔdacB-gfp和BL21-ΔdacA/B-gfp突变菌株的胞外GFP荧光值分别为188.0、179.7和232.1A.U.·L·g-1,而对照菌株BL21-pETDuet-gfp仅为87.5A.U.·L·g-1,敲除dacA、dacB基因后均提高至2.1倍,而复合敲除dacA、dacB基因后提高至2.7倍,说明E.coli D,D-羧肽酶dacA、dacB基因敲除后,有利于GFP的胞外生产。同时,还通过SDS-PAGE分析了突变菌株BL21-ΔdacA-gfp、BL21-ΔdacB-gfp、BL21-ΔdacA/B-gfp和对照菌株BL21-gfp的重组GFP的胞外浓度,结果表明,BL21-ΔdacA/B-gfp的胞外重组GFP的浓度高于BL21-ΔdacA-gfp、BL21-ΔdacB-gfp,BL21-ΔdacA-gfp、BL21-ΔdacB-gfp的胞外重组GFP的浓度高于BL21-gfp,再次验证了敲除dacA、dacB基因后重组GFP的胞外分泌水平提高。
实施例3本实施例说明敲除dacA和dacB对E.coli胞外生产重组淀粉酶的影响
本实施例中将重组质粒pETDuet-amyk分别转化到BL21-ΔdacA、BL21-ΔdacB和BL21-ΔdacA/B突变菌株中,获得重组突变菌株BL21-ΔdacA-amyk、BL21-ΔdacB-amyk和BL21-ΔdacA/B-amyk。将BL21-ΔdacA-amyk、BL21-ΔdacB-amyk和BL21-ΔdacA/B-amyk分别在LB培养基中37℃培养8h,然后按1%(v/v)的接种量接种到TB培养基中,37℃培养至OD600=0.8,加入终浓度为1mmol·L-1IPTG,25℃诱导表达。发酵结束后,离心、收集发酵上清液,检测发酵上清液中的淀粉酶活力,分析在E.coli中敲除dacA、dacB基因对细胞外重组淀粉酶产生的影响。
如图3(a)所示,诱导36h时,突变株BL21-ΔdacA-amyk、BL21-ΔdacB-amyk和BL21-ΔdacA/B-amyk的胞外重组淀粉酶酶活力分别达到1492.9、1857.4和640.5U·g-1,而对照菌株(BL21-amyk)仅为592.7U·g-1,可见,敲除dacA、dacB基因后可以显著提高重组淀粉酶胞外生产水平。通过SDS-PAGE分析dacA、dacB基因敲除对细胞外重组淀粉酶表达的影响(图3(b)),在突变菌株中发现了对应于AmyK分子量(62.8kDa)的明显蛋白质条带,再次表明敲除dacA、dacB基因可以促进重组淀粉酶分泌到胞外。
同时,通过对突变菌株的胞外淀粉酶比生产速率进行测定分析,与对照菌株相比,BL21-ΔdacA-amyk、BL21-ΔdacB-amyk和BL21-ΔdacA/B-amyk突变菌株的胞外淀粉酶比生产速率显著提高,其中BL21-ΔdacB-amyk最高,为0.17U·mL-1·h-1(图3(c))。进一步分析了D,D-羧肽酶dacA、dacB基因敲除对E.coli生产胞外重组淀粉酶所占比例的影响。诱导28h时,BL21-ΔdacA-amyk、BL21-ΔdacB-amyk和BL21-ΔdacA/B-amyk突变菌株的胞外重组淀粉酶占总淀粉酶活分别由对照菌株的40.7%提高至44.7%、62.1%和64.2%(图3(d)),进一步说明敲除dacA、dacB基因有利于E.coli重组淀粉酶的胞外生产。
对比例:
设计引物并PCR扩增含有Kan抗性基因的用于替换目的基因dacD的同源片段,采用实施例1中记载的敲除dacA或dacB的方法,敲除大肠杆菌中的基因dacD,获得突变株BL21-ΔdacD。将重组质粒pETDuet-gfp转化至突变株BL21-ΔdacD后,突变菌株的胞外GFP荧光值为88.1A.U.·L·g-1,而对照菌株BL21-pETDuet-gfp为87.5A.U.·L·g-1。可以看出,D,D-羧肽酶dacD基因敲除对大肠杆菌胞外蛋白生产几乎没有效果。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上,但其并非用以限定本发明,任何熟悉此技术的人,在不脱离本发明的精神和范围内,都可做各种的改动与修饰,因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
SEQUENCE LISTING
<110> 江南大学
<120> 一种提高大肠杆菌重组蛋白胞外分泌水平的方法
<160> 3
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 1404
<212> DNA
<213> 人工合成
<400> 1
ggctctttgc acagccttta tctctgctgc acatgccgat gacctgaata gtgtaggctg 60
gagctgcttc gaagttccta tactttctag agaataggaa cttcggaata ggaacttcaa 120
gatcccctta ttagaagaac tcgtcaagaa ggcgatagaa ggcgatgcgc tgcgaatcgg 180
gagcggcgat accgtaaagc acgaggaagc ggtcagccca ttcgccgcca agctcttcag 240
caatatcacg ggtagccaac gctatgtcct gatagcggtc cgccacaccc agccggccac 300
agtcgatgaa tccagaaaag cggccatttt ccaccatgat attcggcaag caggcatcgc 360
catgggtcac gacgagatcc tcgccgtcgg gcatgcgcgc cttgagcctg gcgaacagtt 420
cggctggcgc gagcccctga tgctcttcgt ccagatcatc ctgatcgaca agaccggctt 480
ccatccgagt acgtgctcgc tcgatgcgat gtttcgcttg gtggtcgaat gggcaggtag 540
ccggatcaag cgtatgcagc cgccgcattg catcagccat gatggatact ttctcggcag 600
gagcaaggtg agatgacagg agatcctgcc ccggcacttc gcccaatagc agccagtccc 660
ttcccgcttc agtgacaacg tcgagcacag ctgcgcaagg aacgcccgtc gtggccagcc 720
acgatagccg cgctgcctcg tcctgcagtt cattcagggc accggacagg tcggtcttga 780
caaaaagaac cgggcgcccc tgcgctgaca gccggaacac ggcggcatca gagcagccga 840
ttgtctgttg tgcccagtca tagccgaata gcctctccac ccaagcggcc ggagaacctg 900
cgtgcaatcc atcttgttca atcatgcgaa acgatcctca tcctgtctct tgatcagatc 960
ttgatcccct gcgccatcag atccttggcg gcaagaaagc catccagttt actttgcagg 1020
gcttcccaac cttaccagag ggcgccccag ctggcaattc cggttcgctt gctgtccata 1080
aaaccgccca gtctagctat cgccatgtaa gcccactgca agctacctgc tttctctttg 1140
cgcttgcgtt ttcccttgtc cagatagccc agtagctgac attcatccgg ggtcagcacc 1200
gtttctgcgg actggctttc tacgtgttcc gcttccttta gcagcccttg cgccctgagt 1260
gcttgcggca gcgtgagctt caaaagcgct ctgaagttcc tatactttct agagaatagg 1320
aacttcgaac tgcaggtcga cggatccccg gaatacaacg cccgttggtt gtactgcaag 1380
aaatcccgga aggtaacttc ttcg 1404
<210> 2
<211> 1404
<212> DNA
<213> 人工合成
<400> 2
gattaccaca gtcagcagat ggcgcagccc gccagtacgc agaaagtgat gtgtaggctg 60
gagctgcttc gaagttccta tactttctag agaataggaa cttcggaata ggaacttcaa 120
gatcccctta ttagaagaac tcgtcaagaa ggcgatagaa ggcgatgcgc tgcgaatcgg 180
gagcggcgat accgtaaagc acgaggaagc ggtcagccca ttcgccgcca agctcttcag 240
caatatcacg ggtagccaac gctatgtcct gatagcggtc cgccacaccc agccggccac 300
agtcgatgaa tccagaaaag cggccatttt ccaccatgat attcggcaag caggcatcgc 360
catgggtcac gacgagatcc tcgccgtcgg gcatgcgcgc cttgagcctg gcgaacagtt 420
cggctggcgc gagcccctga tgctcttcgt ccagatcatc ctgatcgaca agaccggctt 480
ccatccgagt acgtgctcgc tcgatgcgat gtttcgcttg gtggtcgaat gggcaggtag 540
ccggatcaag cgtatgcagc cgccgcattg catcagccat gatggatact ttctcggcag 600
gagcaaggtg agatgacagg agatcctgcc ccggcacttc gcccaatagc agccagtccc 660
ttcccgcttc agtgacaacg tcgagcacag ctgcgcaagg aacgcccgtc gtggccagcc 720
acgatagccg cgctgcctcg tcctgcagtt cattcagggc accggacagg tcggtcttga 780
caaaaagaac cgggcgcccc tgcgctgaca gccggaacac ggcggcatca gagcagccga 840
ttgtctgttg tgcccagtca tagccgaata gcctctccac ccaagcggcc ggagaacctg 900
cgtgcaatcc atcttgttca atcatgcgaa acgatcctca tcctgtctct tgatcagatc 960
ttgatcccct gcgccatcag atccttggcg gcaagaaagc catccagttt actttgcagg 1020
gcttcccaac cttaccagag ggcgccccag ctggcaattc cggttcgctt gctgtccata 1080
aaaccgccca gtctagctat cgccatgtaa gcccactgca agctacctgc tttctctttg 1140
cgcttgcgtt ttcccttgtc cagatagccc agtagctgac attcatccgg ggtcagcacc 1200
gtttctgcgg actggctttc tacgtgttcc gcttccttta gcagcccttg cgccctgagt 1260
gcttgcggca gcgtgagctt caaaagcgct ctgaagttcc tatactttct agagaatagg 1320
aacttcgaac tgcaggtcga cggatccccg gaattgacgg ctctttgcag taccgtgcag 1380
gtctgcatca ggcgggcgtg gatg 1404
<210> 3
<211> 2013
<212> DNA
<213> 人工合成
<400> 3
gctctttgca cagcctttat ctctgctgca catgccgatg acctgaatat caaaactatg 60
atcccgggtg taccgcagat cgatgcggag tcctacatcc tgattgacta taactccggc 120
aaagtgctcg ccgaacagaa cgcagatgtc cgccgcgatc ctgccagcct gaccaaaatg 180
atgaccagtt acgttatcgg ccaggcaatg aaagccggta aatttaaaga aactgattta 240
gtcactatcg gcaacgacgc atgggccacc ggtaacccgg tgtttaaagg ttcttcgctg 300
atgttcctcg tgtaggctgg agctgcttcg aagttcctat actttctaga gaataggaac 360
ttcggaatag gaacttcaag atccccttat tagaagaact cgtcaagaag gcgatagaag 420
gcgatgcgct gcgaatcggg agcggcgata ccgtaaagca cgaggaagcg gtcagcccat 480
tcgccgccaa gctcttcagc aatatcacgg gtagccaacg ctatgtcctg atagcggtcc 540
gccacaccca gccggccaca gtcgatgaat ccagaaaagc ggccattttc caccatgata 600
ttcggcaagc aggcatcgcc atgggtcacg acgagatcct cgccgtcggg catgcgcgcc 660
ttgagcctgg cgaacagttc ggctggcgcg agcccctgat gctcttcgtc cagatcatcc 720
tgatcgacaa gaccggcttc catccgagta cgtgctcgct cgatgcgatg tttcgcttgg 780
tggtcgaatg ggcaggtagc cggatcaagc gtatgcagcc gccgcattgc atcagccatg 840
atggatactt tctcggcagg agcaaggtga gatgacagga gatcctgccc cggcacttcg 900
cccaatagca gccagtccct tcccgcttca gtgacaacgt cgagcacagc tgcgcaagga 960
acgcccgtcg tggccagcca cgatagccgc gctgcctcgt cctgcagttc attcagggca 1020
ccggacaggt cggtcttgac aaaaagaacc gggcgcccct gcgctgacag ccggaacacg 1080
gcggcatcag agcagccgat tgtctgttgt gcccagtcat agccgaatag cctctccacc 1140
caagcggccg gagaacctgc gtgcaatcca tcttgttcaa tcatgcgaaa cgatcctcat 1200
cctgtctctt gatcagatct tgatcccctg cgccatcaga tccttggcgg caagaaagcc 1260
atccagttta ctttgcaggg cttcccaacc ttaccagagg gcgccccagc tggcaattcc 1320
ggttcgcttg ctgtccataa aaccgcccag tctagctatc gccatgtaag cccactgcaa 1380
gctacctgct ttctctttgc gcttgcgttt tcccttgtcc agatagccca gtagctgaca 1440
ttcatccggg gtcagcaccg tttctgcgga ctggctttct acgtgttccg cttcctttag 1500
cagcccttgc gccctgagtg cttgcggcag cgtgagcttc aaaagcgctc tgaagttcct 1560
atactttcta gagaatagga acttcgaact gcaggtcgac ggatccccgg aatccttgtt 1620
gcttctgcga ctgaaggcca gatgcgcttg atctctgcgg tgatgggcgg acgtactttt 1680
aaaggccgtg aagccgaaag taaaaaactg ctgacctggg gcttccgttt cttcgaaacc 1740
gttaacccac tgaaagtagg taaagagttc gcctctgaac cggtttggtt tggtgattct 1800
gatcgcgctt cgttaggggt tgataaagac gtgtacctga ccattccgcg tggccgcatg 1860
aaagatctga aagccagcta tgtgctgaac agcagtgaat tgcatgcgcc gctgcaaaag 1920
aatcaggtcg tcggtactat caacttccag cttgatggca aaacgatcga acaacgcccg 1980
ttggttgtac tgcaagaaat cccggaaggt aac 2013