Improved production of carotenoid-free welan gum in a genetic-engineered Alcaligenes sp. ATCC31555
- 作者
- Wenwen Zhang, Zhaohui Chen, Mengmeng Wu, Zhong Shi, Feng Zhu, Guoqiang li, Ting Ma
- 单位
- Key Laboratory of Molecular Microbiology Technology, Ministry of Education, College of Life Sciences, Nankai University, Tianjin 300071, China
- 杂志
- Biotechnology Letters（2017）
- DOI
- 10.1007/s10529-016-2068-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
提高威兰胶产量，同时获得无类胡萝卜素的菌株，降低发酵和后处理成本
研究策略
将玻璃体血红蛋白（vgb）基因与组成型lacZ启动子融合，通过同源重组插入Alcaligenes sp. ATCC31555染色体的crtB基因区域，既敲除了类胡萝卜素合成，又在胞内表达VHb以改善低氧条件下的细胞生长和威兰胶合成
核心内容
本研究通过代谢工程改造Alcaligenes sp. ATCC31555，以提升威兰胶产量并同步消除类胡萝卜素色素。策略是将来源于透明颤菌的血红蛋白基因（vgb）与组成型lacZ启动子融合后，通过同源重组整合至染色体crtB基因区域，从而同时实现类胡萝卜素合成阻断与胞内氧供给改善。5 L发酵罐实验中，工程菌株威兰胶产量达24 g/L，较野生型提高14%，低通气条件下增幅达25%；葡萄糖转化率从42.2%升至48%。ΔcrtB突变株不产色素且产量与野生型相当。产物分子量约600 kDa，多分散指数为1，流变学性质与野生型一致。回收时仅需3倍乙醇即可脱色，显著简化下游工艺。该研究首次在威兰胶生产菌中采用vgb基因整合至crtB位点的策略，证明协同改善氧供给与色素敲除可提升产量并降低后处理成本，工程菌株具备工业应用潜力。
创新点
首次在威兰胶生产菌中将vgb基因整合至染色体crtB位点，实现类胡萝卜素合成阻断与氧供给改善的协同；获得的工程菌株不产色素，显著简化下游纯化工艺
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Alcaligenes sp. ATCC31555 VHb（工程菌株） | 威兰胶生物合成（涉及氧供给） | vgb | Vitreoscilla hemoglobin (VHb) | 能量供给 | vgb受lacZ启动子控制，插入crtB区域，通过改善氧传递提高细胞生长和威兰胶产量 |
| Alcaligenes sp. ATCC31555 ΔcrtB（基因敲除株） | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | 八氢番茄红素合酶（phytoene synthase） | 催化 | 敲除crtB后菌株无色，不影响威兰胶产量，简化下游提取 |
| Alcaligenes sp. ATCC31555（野生型） | 类胡萝卜素生物合成 | crtZ, crtB, crtI, crtY, crtG | 类胡萝卜素合成相关酶 | 催化 | 通过NCBI比对预测到的五个类胡萝卜素合成基因，其中crtB编码的八氢番茄红素合酶为关键靶点 |
关键发现
- 5 L发酵罐中，重组菌株Alcaligenes sp. VHb威兰胶产量达24±0.4 g/l，比野生型（21±0.4 g/l）提高14%
- 低通气条件下产量提高25%，强通气条件下提高11.7%
- 葡萄糖转化率分别为48%和42.2%
- 发酵液最高粘度分别为5980±117.8 mPa·s（VHb）和6799±125.8 mPa·s（野生型）
- ΔcrtB突变体无色，威兰胶产量与野生型相当（18.4±0.4 g/l，粘度4120±71.7 mPa·s）
- 回收威兰胶时仅需3倍乙醇，而野生型需更多乙醇去色素
- 产物分子量为600 kDa，多分散指数为1，流变学性质与野生型一致
研究结论
Alcaligenes sp. ATCC31555 VHb菌株是更优的中性威兰胶生产菌株，产量更高且后处理成本更低