氧化葡萄糖酸杆菌中吡咯喹啉醌代谢途径研究关键技术的建立与应用

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吡咯喹啉醌(Pyrroloquinoline quinone,PQQ)是氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacter oxydans)中D-山梨醇脱氢酶与普通生酮基古龙酸菌(Ketogulonicigenium vulgare)中L-山梨糖脱氢酶和L-山梨酮脱氢酶的辅酶。在前期构建G.oxydans WSH-003工程菌产2-酮基-L-古龙酸(2-keto-L-gulonic acid,2-KLG)的研究中发现,低效的辅酶PQQ的合成与再生过程是制约维生素C前体物质2-KLG产量进一步提升的关键因素。本论文以G.oxydans中PQQ合成途径为研究对象,建立了PQQ合成与再生过程研究所必需的PQQ高通量检测方法、G.oxydans电转化方法和适用于G.oxydans的无标记基因敲除体系的操作平台;在此基础上,系统研究了过量表达单个PQQ合成相关基因对G.oxydans重组菌PQQ产量和D-山梨醇脱氢酶活性的影响以及敲除tld D基因对G.oxydans重组菌生长速率和PQQ产量的影响。主要研究内容如下:(1)D-葡萄糖脱氢酶(PQQGDH)的表达与纯化和PQQ高通量检测方法的建立。在大肠杆菌(Escherichia coli)BL21(DE3)中通过p ET-28a载体表达PQQGDH,进一步通过亲和层析提高了PQQGDH纯度。通过PQQGDH酶液和PQQ样品用量的双因素正交实验对传统重组酶法的反应体系加以改进,得到适用于96孔板高通量检测的反应体系。结果表明,30?L纯化后酶液、2?L PQQ样品配合1.2 m L的显色剂组成的显色体系检测效果最佳。利用纯化后酶液、96孔板和酶标仪建立的PQQ高通量检测方法在提高检测精度的同时,大幅提高了检测效率,为今后发酵液中PQQ的大规模检测打下了基础。(2)G.oxydans电转化方法和G.oxydans无标记基因敲除体系的建立。选取不同生长时期的G.oxydans细胞制作感受态,并考察不同电转化条件和转化后培养时间对G.oxydans电转化效率的影响。结果表明,在OD600为1.6-1.8时制作感受态,并在0.1 cm电转杯、1.8 k V电压、200Ω电阻、25?F电容条件下进行电转化,转化后培养2 h时转化效果最佳。构建了一株upp基因缺陷型G.oxydans,命名为G.oxydans WSH-003Δupp,改造常用于谷氨酸棒状杆菌无标记敲除体系中的敲除质粒p K19mobsac B,得到适用于G.oxydans的敲除质粒p K19mobupp。利用G.oxydans WSH-003Δupp和p K19mobupp可实现G.oxydans中基因的无标记敲除。(3)G.oxydans WSH-003中PQQ合成相关基因的过量表达和敲除。分别将6个PQQ合成相关基因与2个启动子组合,实现单个PQQ合成相关基因过表达。结果表明,除tld D基因外,过表达其他PQQ合成相关基因均一定程度提高了G.oxydans胞外PQQ产量。此外,过量表达PQQ合成相关基因后PQQ产量高的菌株中D-山梨醇到L-山梨糖的转化速率更高,且D-山梨醇脱氢酶酶活相应较高,证实了强化PQQ合成途径有利于相关发酵产品的生产。构建了一株tld D基因缺陷型G.oxydans WSH-003。结果表明,该突变株不能合成PQQ且细胞生长速率下降,证实tld D基因为该菌PQQ合成途径中必需的基因,且PQQ对G.oxydans细胞生长起明显促进作用。
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