代谢工程改造大肠杆菌积累L—酪氨酸与发酵条件优化

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L-酪氨酸(L-Tyrosine,Tyr)是三大芳香族氨基酸之一,在食品、饲料、医药和化工等领域有广泛应用。由于L-酪氨酸代谢途径和调控方式较为复杂,因此合成效率受到制约。本研究是在实验室构建的一株L-苯丙氨酸生产菌的基础上对其进行分子改造,使其能够过量积累L-酪氨酸。此外,对菌株培养条件和发酵过程进行优化,确定了最佳发酵条件和补料方式,进一步强化大肠杆菌合成酪氨酸的能力。本文主要研究结果如下:(1)L-酪氨酸重组菌株的构建和酪氨酸转运系统的改造。通过连续传代消除大肠杆菌(Escherichia coli)WSH-Z06(pAP-B03)菌株的pAP-B03质粒,获得E.coli HGX菌株。构建热诱导表达质粒pAP-aroGfbr-tyrAfbr,转化E.coli HGX菌株获得了热诱导型菌株E.coli HGXP,摇瓶发酵L-酪氨酸产量为3.12 g?L-1,较E.coli HGX菌株提升了110.8%。在E.coli HGXP菌株的基础上分别构建酪氨酸转运系统基因敲除菌E.coli HGPP(HGXPΔaroP)和HGEP(HGXPΔtyrP),摇瓶发酵结果表明,E.coli HGPP和HGEP单基因敲除菌L-酪氨酸产量分别达到3.74 g?L-1和3.45 g?L-1。对L-酪氨酸转运系统基因敲除菌的诱导温度进行了优化,结果表明38°C为最佳诱导温度。在3 L发酵罐上进行补料分批发酵实验,E.coli HGPP和HGEP单基因敲除菌L-酪氨酸产量进一步提高至44.5g?L-1和35.1 g?L-1。(2)大肠杆菌L-酪氨酸竞争途径、阻遏调控及前体供应的改造。分别在E.coli HGXP菌株的基础上构建了L-苯丙氨酸竞争代谢途径基因pheA、L-色氨酸竞争代谢途径基因trpD、全局性调控蛋白编码基因tyrR及丙酮酸激酶编码基因pykF单基因敲除菌。摇瓶发酵结果表明,在构建的4株单基因敲除菌中,pheA单基因敲除菌E.coli HSP(HGXPΔpheA)的L-酪氨酸产量最高,为4.42 g?L-1。在pheA单基因敲除菌E.coli HSP的基础上进一步敲除tyrR基因,构建pheA/tyrR双基因敲除菌E.coli HRP(HGXPΔpheA/tyrR),L-酪氨酸产量进一步提高到了5.84 g?L-1。在pheA/tyrR双基因敲除菌E.coli HRP的基础上进一步敲除trpD基因和pykF基因,构建多基因敲除菌HRDP(HGXPΔpheA/tyrR/trpD)和HKP(HGXPΔpheA/tyrR/pykF),但由于菌株的生长受到影响,L-酪氨酸产量并没有提高。(3)E.coli HRP菌株产L-酪氨酸发酵罐发酵优化。在3 L发酵罐上对L-酪氨酸生产菌E.coli HRP的诱导时间、诱导温度以及补料方式进行了优化。发现在对数生长中期,即OD600=25.60左右时诱导,L-酪氨酸产量最高,为40.23 g?L-1。在38°C的温度条件下进行诱导可以进一步提高L-酪氨酸的产量,达到了48.69 g?L-1。考察了几种不同的葡萄糖流加方式对L-酪氨酸合成的影响,发现当采用速率线性下降的葡萄糖流加方式时,L-酪氨酸产量进一步提升至55.54 g?L-1,转化率为0.252 mol?mol-1,生产强度为1.385g?L-1?h-1。在15 L发酵罐上进行发酵,E.coli HRP菌株的L-酪氨酸产量可以达到52.33g?L-1,和在3 L发酵罐上发酵时的生产水平相当。
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