基于ARTP诱变和高通量筛选构建谷氨酸棒杆菌外源蛋白高产菌株

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谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)是典型的革兰氏阳性菌,具有无内毒素,可高密度生产且易于分泌等优良特性,是目前工业生产重组蛋白的潜在宿主。本研究通过常压室温等离子体(Atmospheric and room temperature plasma,ARTP)新型技术对C.glutamicum进行诱变和高通量筛选(high-throughput screening,HTS),获得高产重组蛋白的宿主,并通过在该宿主中表达其他重组蛋白和放大培养以验证其在工业生产中的应用性。最后采用全基因组从头测序和重测序策略,利用生物信息学分析技术,在诱变高产菌株中挖掘与提高重组蛋白表达水平相关的靶基因并对这些靶基因进行了结构和功能分析,具体有以下研究成果:(1)为了获得重组蛋白表达的高产菌株,以增强型绿色荧光蛋白(enhanced green fluorescence protein,EGFP)作为报告蛋白,C.glutamicum CGMCC1.15647为原始菌株,探索出ARTP诱变的最佳时间为120 s;每轮ARTP诱变和HTS后获得一株高产菌株,经过三轮共获得三株重组蛋白高产菌株1-C2、2-A8和3-A6,其中3-A6的荧光值最高,比野生型菌株(wild type,WT)提高了111%;进一步通过测定其生长曲线验证了1-C2、2-A8和3-A6的生长稳定性良好,并通过传代实验验证了最优菌株3-A6的遗传稳定性良好。(2)为了探索导致重组蛋白增强的因素并验证其实用性,分别测定突变质粒MUT-EGFP以及突变菌株MA6的荧光强度,探索出是菌株的变异导致荧光值增强;在MC2,MA8和MA6菌株中表达糖蛋白D(glycoprotein D protein,g D)、I型胶原蛋白的N末端前肽(procollagen typeⅠN-terminal peptide,PINP)、内切木聚糖酶(endoxylanase,Xyn A)和抗体重链可变区(variable domain of heavy chin of heavy-chin antibody,VHH)四种重组蛋白,验证了突变株同样能够提高蛋白产量;通过5 L发酵罐在野生型菌株和最优MA6菌株中生产高价值重组蛋白VHH,验证该菌株放大生产的效果,在MA6菌株中的产量约862 mg·L-1,比WT提高了91%。结果证明通过ARTP和HTS后我们获得了一株重组蛋白高产的菌株MA6。(3)为了挖掘突变高产菌株中与重组蛋白表达产量相关的靶基因,对C.glutamicum和突变菌株MC2,MA8和MA6分别进行了全基因组从头测序以及重测序,挖掘出33个单核苷酸多态位点(single-nucleotide polymorphisms,SNP)和7个插入或缺失位点(insertion or deletion,In Del),主要涉及五个基因,结合生物信息学分析这五个基因的结构及其功能,包括脱氢酶/还原酶,限制性核酸内切酶Mcr A,酪氨酸重组酶Xer C,Clp C蛋白酶;通过测定SNP基因过表达和敲除菌株的生长曲线和EGFP的表达情况,证明这些SNP基因表达变化对菌株生长影响不大,但对EGFP表达水平有较大影响,其中over-2370和ko-973-974菌株的EGFP表达水平最高。进一步在over-2370和ko-973-974菌株中进行重组人特立帕肽(recombinant human teriparatide,rt PTH)的表达生产,发现其产量均比WT提高了近一倍。这表明基因GL002370和GL000974与重组蛋白表达密切相关,这不仅为后续研究中优化改良底盘细胞提供潜在靶点,也为优化蛋白表达宿主提高其表达能力提供了一种技术策略。
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