基于CRISPR系统的酱香型白酒酿造微生物面包乳杆菌和植物乳杆菌定量方法的设计与构建

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酱香型白酒酿造采用固态多菌种发酵工艺,在酿造过程中监控与分析关键微生物数量和动态变化对于酿造过程调控具有重要作用。面包乳杆菌和植物乳杆菌是乳酸产生的关键微生物,对酿造微生物群落组成变化以及基酒风味具有重要影响。然而目前酿造关键微生物定量主要采用平板计数、荧光定量PCR和高通量测序等方法,存在检测周期长、设备依赖性高和检测成本高等问题。如何建立酿造微生物的快速定量方法、获得最优检测条件和验证该方法在酿造体系的适用性是需要解决的三个关键问题。本文针对酱香型白酒酿造微生物定量存在的问题,以面包乳杆菌和植物乳杆菌为研究对象,开展基于CRISPR-Cas12a的酿造微生物定量方法的构建、关键检测条件优化以及酱香型白酒发酵过程中酒醅样品检测三方面研究,建立了面包乳杆菌和植物乳杆菌的快速定量方法,主要研究结果如下:(1)构建了Francisella novicida Cas12a(Fn Cas12a)在大肠杆菌中的表达体系,通过启动子替换和发酵温度优化的方式提高了蛋白的表达量,最优启动子类型为P224,最优发酵温度为25℃,相比于初始的PT7启动子和37℃发酵温度,蛋白表达量分别提高了31.6%和115.1%;使用AKTA蛋白纯化仪对Fn Cas12a发酵液进行了纯化,最终产量为0.94 mg·m L-1;检测了Fn Cas12a的反式切割活性,达到9.72×10-6 a.u.·nmol-1;构建了基于CRISPR-Cas12a的荧光报告系统,使用基于面包乳杆菌16S r DNA序列设计的cr RNA对荧光报告系统进行了激活验证,所设计的8条cr RNA对合成序列和扩增序列靶标均有激活作用,验证了该系统检测面包乳杆菌核酸的可行性。(2)通过优化基于CRISPR-Cas12a荧光报告系统的关键组分Fn Cas12a、cr RNA和ss DNA探针,提高了系统响应信号值。最佳Fn Cas12a浓度为100 n M,信号值提高至优化前的2.1倍;最佳cr RNA浓度为100 n M,信号值提高至优化前的1.5倍;最佳探针类型为HEX-BHQ1,信噪比是优化前的11.7倍;基于13株乳杆菌gyr B基因序列比对结果为面包乳杆菌和植物乳杆菌分别设计了8条cr RNA,选择目标菌种基因组和非目标菌种基因组进行特异性验证,筛选到两条激活能力最强的特异性cr RNA序列g7和CR6-1分别作为面包乳杆菌和植物乳杆菌的激活序列;构建了面包乳杆菌和植物乳杆菌的定量标准曲线,检测的范围分别是10~6~10~9 CFU×μL-1和10~5~10~9 CFU×μL-1,标准曲线的相关系数均达到0.99。(3)对面包乳杆菌和植物乳杆菌单菌样本进行一致性检测,相关系数达到0.99,显示了本系统检测单菌时的良好准确性;建立了面包乳杆菌和植物乳杆菌的荧光定量PCR标准曲线并对混菌样本检测,检测结果数量级相一致,显示了本系统检测混菌样本时的良好准确性。对酱香型白酒发酵过程中的酒醅样本进行检测,结果显示随发酵时间的增加,面包乳杆菌数量逐渐增加,植物乳杆菌的数量呈现先增加后减少的趋势。
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