纈氨酸生產菌株的定向改造及發酵優化

石拓，劉曉倩，范曉光，陳寧

(天津科技大學 生物工程學院，天津，300457)

纈氨酸是支鏈氨基酸的一種，可以緩解肝功能衰竭，保護肝臟，也可以促進肌肉蛋白的合成，加快創傷的愈合[1-3]。當人體缺乏纈氨酸時，會導致機體多個系統功能的紊亂，因此它常被用作營養補充劑，在提供營養支撐的同時促進機體損傷的修復。

目前，纈氨酸主要通過發酵法生產，谷氨酸棒桿菌則是最常用的生產菌株。目前針對生產菌株的改造主要集中于2個方面：一方面是通過誘變育種結合適應性馴化的方法篩選目的遺傳標記[4-6]，例如，ZHANG等通過多輪次隨機突變獲得了纈氨酸高產菌株C.glutamicumVWB-1，進一步使用轉錄組和蛋白組學技術將突變株與標準株C.glutamicumATCC 13869對比發現，突變株中與纈氨酸合成相關的ilvBN、ilvC、ilvD、ilvE基因，分支鏈氨基酸轉運蛋白基因brnFE表達水平上調[7]；另一方面則是根據纈氨酸代謝合成網絡途徑，使用代謝工程方法通過強化前體物的供應，解除產物對關鍵酶的反饋調節，提高關鍵酶編碼基因轉錄水平，增強輔酶供應，弱化代謝副產物合成途徑，阻斷目的產物的攝取和強化目的產物的輸出等方式，提高纈氨酸生產菌株的發酵水平[8-13]。

除了常規的改造策略以外，選育溫度敏感突變株是提升谷氨酸棒桿菌氨基酸產量的另一策略，并已經普遍應用于谷氨酸的生產中[14]。與標準株相比，溫度敏感突變株由于細胞膜/壁合成相關基因發生突變，導致其在高溫條件下細胞膜/壁通透性增強，使得細胞由生長型狀態轉變為產酸型狀態，大幅度增加了谷氨酸向胞外的分泌，進而有效解除了谷氨酸的反饋調節，提高了谷氨酸合成和積累量[15-17]。但到目前為止，與溫度敏感性狀相關的分子生物學解析尚不明確，僅有HIRASAWA等人報道，ltsA基因的缺失會導致谷氨酸棒桿菌對溶菌酶敏感，從而產生溫敏性狀，促進谷氨酸合成[18-19]。

我們在前期的研究中，通過比對溫度敏感型谷氨酸生產菌C.glutamicumTCCC 11822[20]和標準株C.glutamicumATCC 13032發現，參與細胞壁肽聚糖合成的2個關鍵酶基因murA(cgl0352)和murB(cgl0353)[21-22]缺失。為了驗證上述基因與溫度敏感性狀的關聯，我們在前期構建的纈氨酸生產菌株C.glutamicum13032ilvBNXV::cgl1890,ilvBNXV::pqo的基礎上，敲除了murA和murB基因，通過搖瓶發酵和5 L罐發酵實驗，檢測不同溫度下重組工程菌株的生長和產酸水平，以期為纈氨酸生產菌株的定向改造提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究所用的菌株及質粒如表1所示。

1.2 培養基

斜面培養基(g/L)：蛋白胨10，酵母粉5，牛肉膏10，NaCl 2.5，MgSO40.5，KH2PO41，瓊脂粉15。

表1 本研究所用的菌株及質粒Table 1 Strains and plasmids used in this study

種子培養基：葡萄糖 3 g/L，酵母粉 10 g/L，蛋白胨 5 g/L，K2HPO42 g/L，MgSO4·7H2O 0.8 g/L，MnSO42 mg/L，FeSO42 mg/L，VB10.3 mg/L，VH0.2 mg/L。

搖瓶發酵培養基：葡萄糖 80 g/L，酵母粉 15 g/L，蛋白胨 5 g/L，K2HPO44 g/L，MgSO4·7H2O 2 g/L，MnSO430 mg/L，FeSO430 mg/L，VB10.5 mg/L，VH0.3 mg/L，苯酚紅 2%。

5 L發酵罐發酵培養基：葡萄糖 30 g/L，玉米漿 20 mL/L，豆濃30 mL/L，(NH4)2SO415 g/L, KH2PO42 g/L，MgSO4·7H2O 2 g/L，FeSO410 mg/L，MnSO410 mg/L，VB120 mg/L，VH15 mg/L，谷氨酸 5 g/L，異亮氨酸 0.1 g/L。

1.3 培養條件

斜面培養條件：用接種環劃取保菌管中的菌液置于斜面培養基上，均勻地涂布開。將斜面置于32 ℃培養箱中，培養14 h。

種子培養條件：用接種環在生長良好的斜面上劃取1環菌落置于含有30 mL種子培養基的500 mL三角瓶中，置于32 ℃搖床上，200 r/min培養8 h。

搖瓶發酵培養條件：用移液器吸取3 mL培養成熟的種子培養液，置于含有30 mL發酵培養基的500 mL擋板瓶中，置于32 ℃搖床，200 r/min培養一定時間后，提溫至39 ℃，200 r/min搖床繼續培養至32 h。

5 L發酵罐培養方法：按照10%接種量，將0.3 L種子液接入到5 L發酵罐中，初始裝液量為3 L；罐壓0.05，通風量2 L/min，溫度33～39 ℃，初始pH 7.0，發酵過程中流加800 g/L的葡萄糖維持菌體生長所需，同時流加液氨調整pH值，發酵周期36 h。

1.4 重組工程菌株的構建方法

由于murA和murB基因在C.glutamicumA30基因組只相隔16 bp，因此我們對murA和murB基因組合進行敲除，所用引物如表2所示。基因的無痕敲除方法參見文獻[23]。

表2 murA和murB基因敲除所用引物Table 2 Primers for murA and murB gene knockout

1.5 肽聚糖的提取及檢測

參照文獻方法[24-25]對谷氨酸棒桿菌細胞壁肽聚糖進行分離提取，方法如下：取發酵結束后離心得到的菌體20 g，懸浮于200 mL，10 g/L的三氯乙酸溶液中，75 ℃水浴處理25 min后裂解菌體，去除細胞壁中磷壁酸成分，冷卻至室溫，離心收集不含磷壁酸的細胞沉淀；用蒸餾水洗滌沉淀至中性，沉淀按固液比1∶5(質量體積比)加入胰蛋白酶磷酸鹽緩沖液(胰蛋白酶3 mg/mL PBS，pH8.0)，置于搖床37 ℃振蕩12 h，離心棄去未溶解于胰蛋白酶的沉淀，上清液離心后得到不含蛋白的細胞壁沉淀，沉淀用蒸餾水洗滌3次，加入氯仿甲醇混合溶液(V(氯仿)∶V(甲醇)=1∶2)處理6 h，去除脂類物質；離心收集沉淀，用無水乙醇洗滌脫水，自然干燥，得到淺褐色膠質物質即為肽聚糖提取物。

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1.6 發酵參數測定方法

發酵過程中菌體的生物量采用分光光度計測定，以OD600nm值代表菌體濃度；還原糖采用SBA-40生物傳感儀進行測定；pH值采用梅特勒 pH計S210K進行測定；產物纈氨酸濃度采用高效液相分析系統測定，色譜分離條件：Agilent C18(15 mm×4.6 mm，3.5 μm)，2，4-二硝基氟苯柱前衍生測定，乙腈與乙酸鈉溶液進行梯度洗脫，柱溫33 ℃，流動相流量 1 mL/min，檢測波長360 nm。

2 結果與討論

2.1 重組工程菌株C. glutamicum A301的構建

在C.glutamicumA30菌株中同時敲除murA和murB基因，敲除結果如圖1所示。

其中，上游同源臂長為493 bp，下游同源臂長為517 bp；上下游同源臂重疊片段為1 010 bp；murA和murB基因總長為3 073 bp。從凝膠電泳的結果可以看出，murA和murB基因成功敲除，菌株C.glutamicumA301構建成功。

M-Marker；1-上游同源臂；2-下游同源臂；3-上下游同源臂重疊片段；4-菌株進行單交換后，用murAB-1和murAB-4引物進行PCR結果；5-成功敲除murA和murB基因后，用murAB-1和murAB-4引物進行PCR結果圖1 C. glutamicum A301菌株構建過程凝膠電泳圖Fig.1 Gel electrophoresis for C.glutamicum A301 construction

2.2 不同溫度下C. glutamicum A30和C. glutamicum A301菌株的搖瓶發酵結果比對

為了探究murA和murB敲除后對纈氨酸產量的影響，對C.glutamicumA30和C.glutamicumA301菌株進行了恒溫(32 ℃)發酵以及變溫(32～39 ℃)發酵實驗。從圖2可以看出，當發酵溫度恒定為32 ℃時，C.glutamicumA301菌株的生長要強于C.glutamicumA30菌株，但C.glutamicumA301菌株的纈氨酸產量相較于C.glutamicumA30菌株提高了8.5%，達到14.7 g/L。而當發酵條件為變溫發酵時，C.glutamicumA301菌株在發酵終點時的生物量相較于C.glutamicumA30菌株下降了20%，但其纈氨酸產量提高了45.1%，達到16.3 g/L。

圖2 不同溫度下C. glutamicum A30與C. glutamicum A301菌株的搖瓶發酵結果Fig.2 The shake-flask fermentation results of C. glutamicum A30 and C. glutamicum A301 under different temperature

在谷氨酸棒桿菌中，murA和murB基因分別編碼UDP-N-乙酰葡糖胺1-羧基乙烯基轉移酶(UDP-N-acetylglucosamine 1-carboxyvinyltransferase)和UDP-N-烯酰葡糖胺還原酶(UDP-N-acetylenolpyruvoylglucosamine reductase)。上述酶可以作用于UDP-N-乙酰葡糖胺及其類似物的功效基團，進而參與乙酰胞壁酸和肽聚糖的合成[21-22]。我們前期的研究發現,在溫敏型谷氨酸生產菌C.glutamicumTCCC 11822中存在murA和murB基因缺失，因此推測上述兩個基因可能與溫敏性狀的產生存在關聯。由表3可以看出，溫度升高時C．glutamicumA30菌株細胞壁肽聚糖含量沒有明顯變化，但是C.glutamicumA301菌株細胞壁肽聚糖含量則明顯降低。

表3 C. glutamicum A30和C. glutamicum A301菌株細胞壁肽聚糖含量Table 3 The cell wall peptidoglycan content of C. glutamicum A30 and C. glutamicum A301

對比2株菌的恒溫(32 ℃)以及變溫(32～39 ℃)發酵可以看出，C.glutamicumA30菌株在變溫發酵時菌體生長沒有明顯影響，但是產酸量急劇下降。與之相比，C.glutamicumA301菌株在變溫發酵時由于基因缺失，在高溫下的細胞壁合成不夠完整，因此抵御溫度脅迫的能力下降，生長受到一定程度的抑制，但是產酸量卻由于產物分泌增強較恒溫發酵有了一定程度的提高。

2.3 不同溫度條件對C. glutamicum A301生長和產酸的影響

由于murA和murB基因缺失使得C.glutamicumA301菌株具有了溫度敏感特征，因此考察不同溫度條件對該菌株生長和產酸的影響，結果如圖3所示。

圖3 不同發酵溫度對C. glutamicum A301菌株搖瓶發酵纈氨酸的影響Fig.3 Effect of different fermentation temperature on the shake-flask fermentation of valine by C. glutamicum A301 strain

從圖3-a可以看出，不同溫度下C.glutamicumA301菌株的生長速率及生物量均有所不同。當發酵溫度為33 ℃時，菌體對數期生長速率較高，菌體OD達到最大值60.1，比30 ℃、36 ℃和39 ℃時分別提高了11.2%、27.1%和72.9%。當發酵溫度為39 ℃時，菌體生長速率變緩，菌體OD值僅為34.8。谷氨酸棒桿菌細胞壁分為內外兩層，外層的主要成分是霉菌酸，而內層的主要成分是肽聚糖[26]。菌體生長與溫度呈顯著負相關的原因是由于功能酶的缺失造成高溫條件下肽聚糖合成受到一定干擾，細胞壁內層合成的不完整不至于引發菌體直接死亡，但卻會影響菌體的分裂增值，導致生物量下降。

從圖3-b可知，不同溫度下C.glutamicumA301菌株的產物積累量有所不同。當發酵溫度為39 ℃時，纈氨酸產量達到最大值13.8 g/L，比30 ℃、33 ℃和36 ℃時分別提高了21.4%、5.0%和4.9%。結合表3的結果可以推測，隨著溫度的提升，C.glutamicumA301菌株合成肽聚糖減少，細胞壁通透性增強導致產物向胞外的分泌增加，從而刺激細胞代謝向產物合成的方向流動，提升了單個細胞的產酸能力。

2.4 使用C. glutamicum A301菌株分段控溫發酵生產纈氨酸

溫度對于C.glutamicumA301菌株的影響是多方面的，發酵過程中在保持菌體生物量的同時要追求纈氨酸產量的提升。從圖4可以看出，在發酵前期0～15 h產物纈氨酸的合成速率不隨溫度的升高而改變，但菌體生物量卻隨溫度的升高顯著降低。在15h之后，菌體生長進入對數中后期逐漸趨于平穩，但是產物纈氨酸的合成速率卻隨溫度的升高而逐漸增強。因此發酵過程中可以采用分段控溫的方法，在發酵前期保證菌體的正常生長，而當菌體達到一定生物量后采用提溫的方式增加纈氨酸的產量。

由表4可知，當采用分段控溫發酵時，菌體OD值與全程33 ℃發酵相比略有降低，但遠高于全程39 ℃發酵。

表4 不同溫度控制策略對C. glutamicum A301菌株搖瓶發酵纈氨酸的影響Table 4 Effects of different temperature control strategieson the shake-flask fermentation of valineby C. glutamicum A301 strain

分段控溫發酵時纈氨酸產量達到最高值18.2 g/L，與全程33 ℃和39 ℃發酵相比分別提高了38.9%和68.5%。同時，分段控溫發酵時纈氨酸轉化率最高，達到19.9%。

在搖瓶發酵的基礎上，采用同樣的分段控溫策略即前15 h控溫33 ℃，15 h之后提溫至39 ℃，在5 L發酵罐中進行發酵實驗，結果如圖4所示。分段控溫發酵時菌體的最大OD值達到60.3，與全程33 ℃發酵相比下降了14.3%；分段控溫發酵時纈氨酸產量達到35.5g/L，與全程33 ℃發酵相比提高了55.7%。

圖4 不同溫度控制策略對C. glutamicum A301菌株5 L罐發酵纈氨酸的影響Fig.4 different temperature control strategies on the fed-batch fermentation of valine by C. glutamicum A301 strain

3 結論

選育溫度敏感突變株能夠提升谷氨酸棒桿菌生產氨基酸的能力，但傳統育種方法多為誘變育種。本研究通過定向敲除murA和murB基因使得纈氨酸生產菌株獲得了一定的溫敏性狀。在變溫發酵條件下，重組工程菌株的纈氨酸產量與出發菌株相比有了明顯的提升。在5 L發酵罐中采用分段控溫策略發酵即前15 h控溫33 ℃，15 h之后提溫至39 ℃，重組工程菌株的纈氨酸產量達到35.5g/L，與全程33 ℃發酵相比提高了55.7%。考慮到murA和murB基因與谷氨酸棒桿菌細胞壁內層肽聚糖合成有關，而上述基因又與溫度敏感性相關聯，因此深入理解谷氨酸棒桿菌細胞壁合成與溫度敏感性狀之間的關系，將有助于闡明溫度敏感突變株過量合成氨基酸的分子機制，同時也為纈氨酸等氨基酸生產菌株的定向改造提供科學依據。