Increase in the production of β-carotene in recombinant Escherichia coli cultured in a chemically defined medium supplemented with amino acids
- 作者
- Hyun-Koo Nam, Jin-Geun Choi, Jae-Hee Lee, Seon-Won Kim, Deok-Kun Oh
- 杂志
- Biotechnology Letters（2012）
- DOI
- 10.1007/s10529-012-1072-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在重组大肠杆菌中利用化学限定培养基高效生产β-胡萝卜素，解决复合培养基难以达到高细胞浓度和产量不足的问题
研究策略
筛选最佳宿主菌株（E. coli DH5α），优化化学限定培养基中氨基酸的种类与浓度，以甘油为碳源进行补料分批培养
核心内容
该研究针对复合培养基中重组大肠杆菌难以同时实现高细胞浓度和高β-胡萝卜素产量的瓶颈，提出以化学限定培养基结合氨基酸补充策略进行优化。作者以E. coli DH5α为宿主，整合MEP、甲羟戊酸及β-胡萝卜素合成途径，在摇瓶培养中筛选出8种最佳氨基酸组合，使产量从500 mg/l提升至990 mg/l，约为复合培养基（490 mg/l）的两倍。在7 L发酵罐批次培养中，补充氨基酸的限定培养基将细胞质量、产量和特定含量分别提升至14 g/l、1200 mg/l和87 mg/g细胞，比复合培养基提高67%的产量。补料分批培养获得最优结果，细胞质量达34 g/l，β-胡萝卜素浓度2470 mg/l，特定含量72 mg/g细胞，生产率77 mg/l·h，分别较复合培养基提高6%、43%、33%和25%，该生产率为当时重组菌报道的最高值。结果表明，补充氨基酸的化学限定培养基比复合培养基更具成本效益，为β-胡萝卜素的工业化生产提供了可行方案。
创新点
首次使用补充氨基酸的化学限定培养基生产β-胡萝卜素；在补料分批培养中获得目前报道的最高β-胡萝卜素生产率
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli DH5α | — | — | — | — | 重组宿主菌株 |
| Escherichia coli DH5α | MEP通路 | dxs | — | 催化 | 来自质粒pT-DHB，编码1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 |
| Escherichia coli DH5α | 异戊二烯前体通路 | ipiHP1 | — | 催化 | 来自质粒pT-DHB，编码异戊烯基焦磷酸异构酶 |
| Escherichia coli DH5α | β-胡萝卜素生物合成通路 | crtE | — | 催化 | 来自质粒pT-DHB，编码牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶 |
| Escherichia coli DH5α | β-胡萝卜素生物合成通路 | crtB | — | 催化 | 来自质粒pT-DHB，编码八氢番茄红素合酶 |
| Escherichia coli DH5α | β-胡萝卜素生物合成通路 | crtI | — | 催化 | 来自质粒pT-DHB，编码八氢番茄红素脱氢酶 |
| Escherichia coli DH5α | β-胡萝卜素生物合成通路 | crtY | — | 催化 | 来自质粒pT-DHB，编码番茄红素环化酶 |
| Escherichia coli DH5α | 甲羟戊酸通路 | mvaE | — | 催化 | 来自质粒pS-NA，双功能基因（mvaA和phaA），编码乙酰乙酰-CoA硫解酶和HMG-CoA还原酶 |
| Escherichia coli DH5α | 甲羟戊酸通路 | mvaS | — | 催化 | 来自质粒pS-NA，编码HMG-CoA合酶 |
| Escherichia coli DH5α | 甲羟戊酸通路 | mvaK1 | — | 催化 | 来自质粒pS-NA，编码甲羟戊酸激酶 |
| Escherichia coli DH5α | 甲羟戊酸通路 | mvaK2 | — | 催化 | 来自质粒pS-NA，编码磷酸甲羟戊酸激酶 |
| Escherichia coli DH5α | 甲羟戊酸通路 | mvaD | — | 催化 | 来自质粒pS-NA，编码甲羟戊酸二磷酸脱羧酶 |
| Escherichia coli DH5α | 甲羟戊酸通路 | idi | — | 催化 | 来自质粒pS-NA，编码异戊烯基二磷酸异构酶 |
关键发现
在补料分批培养中，使用补充氨基酸的化学限定培养基，细胞质量为34 g/l，β-胡萝卜素浓度达2470 mg/l，特定含量为72 mg/g细胞，生产率为77 mg/l·h，分别比复合培养基提高6%、43%、33%和25%。在摇瓶培养中，加入8种最佳氨基酸的化学限定培养基产量为990 mg/l，分别是未加氨基酸化学限定培养基（500 mg/l）和复合培养基（490 mg/l）的约2倍。在7 L发酵罐批次培养中，补充氨基酸的化学限定培养基的细胞质量、产量和特定含量分别为14 g/l、1200 mg/l和87 mg/g细胞，比复合培养基提高7%、67%和56%，比未补充的化学限定培养基提高37%、56%和14%。该生产率是目前报道的重组菌生产β-胡萝卜素的最高值
研究结论
补充氨基酸的化学限定培养基比复合培养基更具成本效益，可实现重组大肠杆菌中β-胡萝卜素的高效生产，具有工业应用潜力