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Breeding of? L

甲基营养型L



全 文 :第7卷第3期
2009年5月
生 物 加 工 过 程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Vol.7No.3
May2009
收稿日期:2008-10-12
作者简介:张 超(1978—),男,山东济南人,硕士,助教,研究方向:发酵工学,Email:zhangmeili8292@sina.com
甲基营养型 L 丝氨酸产生菌的选育
张 超,栾兴社,张维建,侯书国
(山东建筑大学 市政与环境工程学院,济南 250101)
摘 要:以甲基营养型假单胞菌J 12为出发菌株,经硫酸二乙酯(DES)和亚硝基胍(NTG)诱变处理,D 丝氨酸
结构类似物平板和高浓度甘氨酸平板定向筛选,获得1株L丝氨酸高产菌N 13,其发酵液中L丝氨酸产量较出
发菌株提高979%。在含有20g/L甘氨酸和7mL/L甲醇的培养基中,L丝氨酸积累可达481g/L。
关键词:假单胞菌;化学诱变;育种;发酵;L丝氨酸
中图分类号:Q933    文献标志码:A    文章编号:1672-3678(2009)03-0047-04
BreedingofLserineproducingmethylotrophmutant
ZHANGChao,LUANXingshe,ZHANGWeijian,HOUShuguo
(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,ShandongJianzhuUniversity,Jinan250101,China)
Abstract:LserineproducingmethylotrophmutantswerederivedfromPseudomonasJ12,bymutagenesis
withNmethylNnitroNnitrosoguanidine(NTG)anddiethylsulfate(DES).Themutantswereselected
ontheagarplatescontainingDserineandhighconcentrationglycine.AnLserineproducingmutant
N13canaccumulateabout481g/LLserineinamediumcontaining20g/Lglycineand7mL/Lof
methanol.
Keywords:Pseudomonas;chemicalmutagenesis;breeding;fermentation;Lserine
  L丝氨酸作为一种生化试剂,在食品、饲料、医
药、农业中广泛应用,特别是应用于配制第三代复
方氨基酸输液及营养增补剂。利用它合成多种丝
氨酸衍生物,在抗癌、抗艾滋病新药及基因工程用
保护氨基酸等方面意义重大。此外,因L丝氨酸具
有特殊的保湿性,被大量用于高级化妆品[1]。
  L丝氨酸的生产方法主要有:蛋白质水解法、
化学合成法、微生物发酵法和酶法。蛋白质水解法
和化学合成法都存在损失率大、综合利用率差、成
本高等缺陷。目前主要应用微生物发酵法来生产
L丝氨酸[2]。
  国内利用微生物发酵法生产L丝氨酸的研究,
大多集中在基因工程菌或以甘氨酸为前体进行发
酵生产[3]等方面。笔者从土壤中筛选到一株甲基
营养型L丝氨酸生产菌 J 12,以 J 12为出发菌
株,通过硫酸二乙酯(DES)和亚硝基胍(NTG)逐级
诱变处理和选育,赋予其特定遗传标记,进一步提
高其产酸水平。
1 材料与方法
11 材料
111 出发菌株
  假单胞菌(Pseudomonas)J 12,由本实验室分
离得到。
112 主要试剂
  D 丝氨酸为美国Sigma公司产品;甘氨酸为上
海生化技术公司产品;(NH4)2SO4、KH2PO4和
K2HPO4为中国医药(集团)上海试剂公司产品;乙
醇和丙酮为中国金山化工厂(上海)产品。
113 培养基
  1)基本培养基 (NH4)2SO42g/L,KH2PO4
2g/L,K2HPO4·3H2O8g/L,MnSO4·H2O0002g/L,
FeSO4·7H2O0002g/L,MgSO4·7H2O06g/L,生物
素50μg/L,硫胺素 100μg/L,制霉菌素005μg/L,
琼脂条15g/L。
  2)筛选培养基 基本培养基中添加30g/L甘
氨酸或7mL/L甲醇或15g/LD 丝氨酸。
  3)发酵培养基 甘氨酸25g/L,甲醇7mL/L,
(NH4)2SO415g/L,KH2PO41g/L,MgSO4·7H2O03
g/L,玉米浆15g/L,CaCO320g/L。
12 方法
121 诱变方法
  常规化学诱变法[4]。
122 平板筛选
  1)结构类似物抗性突变株的获得 把结构类似
物按质量浓度梯度制备一系列的抗性平板,将待诱变
菌株的菌悬液均匀涂布于抗性平板表面,30℃恒温
培养3~6d以确定药物抑制菌体生长的临界质量浓
度。在基本培养基中加入适当质量浓度的结构类似
物制作成抗性平板,将诱变处理过的一定质量浓度的
菌液涂布于抗性平板上。30℃恒温培养3~6d,挑
取长出的单菌落,即为结构类似物抗性突变株。
  2)高浓度底物耐受性变异株的获得 配制基
本培养基,灭菌后加入一定量的甘氨酸或者甲醇,
制成各种高质量浓度梯度的筛选平板。涂布经诱
变处理过的菌液,置30℃恒温箱中培养3~7d,挑
取长出的菌落,即为高浓度底物耐受性变异株。
123 发酵方法
  1)初筛 从斜面培养基上取一环菌体接入到
30mL的发酵培养基中(250mL三角瓶),30℃摇床
培养72h,测定发酵液中L丝氨酸产量。
  2)复筛 初筛得到的高产菌株经斜面活化,每
株菌取一满环接入到15mL发酵培养液中(250mL
三角瓶),摇床培养12h,然后各取2mL种子液加
入3个发酵瓶中,30℃摇床培养72h。测定三角瓶
中L 丝氨酸产量,取其平均值,确定不同菌株的产
量稳定性,从中选出高产稳产的优良菌株。
124 分析方法
  1)生物量测定 干质量法。
  2)pH测定 PHSJ 4A型数字pH计测定。
  3)发酵液中 L 丝氨酸含量的测定 纸层析
分光光度法。显色液为05g茚三酮溶于100mL
丙酮中,洗脱液为体积比 2∶38的 01%CuSO4和
75%乙醇,在波长506nm下测定其吸光值[5]。
125 遗传稳定性研究
  将筛选得到的菌株转接保藏斜面,30℃培养
2d后作为F1代,从F1代斜面转接至保藏斜面,30℃
培养2d后为 F2代,同样方式接连传代到 F5,即为
F1、F2、F3、F4、F5代。取上述 F1、F2、F3、F4、F5代斜
面,接种到发酵培养基中培养72h后测发酵液中L
丝氨酸含量,考察其传代稳定性。
2 结果与讨论
21 出发菌株的筛选
  由于使用的原始菌株经多次传代后可能退化,
需在诱变育种前进行分离纯化。由表1可知,经过
单菌落分离,得到一株产量为243g/L的菌,编号
为J 12,作为出发菌株。
表1 保存菌种产L 丝氨酸情况
Table1 Lserineproductivityofdiferentstrains
菌号 J 2 J 5 J 7J 10J 12J 17J 18
ρ(L丝氨酸)/
(g·L-1)
189 125 126 153 243 224 228
22 L 丝氨酸产生菌的选育方案与谱系
221 L丝氨酸选育方案的确定
  从甘氨酸出发的丝氨酸合成所需的 C1供体
(N5,N10 亚甲基四氢叶酸)来自甘氨酸的甲基碳,
通过甘氨酸的裂解反应供给,理论上2mol甘氨酸
可生成1mol丝氨酸。甲基营养型菌株,其甘氨酸
生产丝氨酸所需的 C1供体来自甲醛同四氢叶酸反
应,而不是来自甘氨酸的裂解,与异养型菌株相比,
大大提高了甘氨酸对丝氨酸的转化率,理论上,2
mol的甘氨酸转化为2mol的 L 丝氨酸[6];而且甲
醇比甘氨酸便宜,所以甲基营养型的丝氨酸产生菌
可以创造更高经济价值。
84 生 物 加 工 过 程   第7卷 
  由于L丝氨酸处于氨基酸代谢的中间位置,代
谢运转速度极快[7]。因此,直接发酵法生产L 丝氨
酸十分困难。从图1的 L 丝氨酸合成途径可以看
出,甘油酸、甘氨酸均可作为发酵法生产L 丝氨酸时
添加的前体物[8]。以甘氨酸为前体物发酵生产L丝
氨酸时,菌体积累L 丝氨酸的含量将与菌体含有的
丝氨酸羟甲基转移酶(SHMT)活性高低直接相关。
研究表明,SHMT受丝氨酸、甘氨酸、蛋氨酸、叶酸、嘌
呤、胸腺嘧啶等物质的反馈调节[9]。为解除这些物质
对SHMT活性的反馈抑制作用,可以筛选出这些物质
的结构类似物抗性突变株以及这些物质的营养缺陷
型,以达到过量积累L丝氨酸的目的。
图1 细菌细胞内L 丝氨酸代谢途径
Fig.1 ConventionalpathwayofLserineinbacteria
222 L丝氨酸产生菌的选育谱系
  L丝氨酸产生菌的选育谱系如图2所示。
图2 J 12的选育谱系图
Fig.2 GenealogyofLserineproducingmutantsJ12
23 诱变剂量和时间的确定
231 DES诱变致死率曲线
  DES是诱变中常用的一种烷化剂,可引起GC和
AT的互换,从而引起 DNA复制时碱基配对错误。一
般选择致死率70% ~80%为佳。采用质量分数为
2%的DES,对菌体分别处理不同时间,结果如图3所
示。根据经验,选择DES处理时间为20min。
232 NTG诱变剂量的选择
  用质量浓度为250μg/mL的 NTG溶液对菌体
处理不同时间,测定致死率,结果见图4,选择处理
时间为 30min。
图3 DES诱变致死率曲线
Fig.3 TerminalrateofPseudomonasDESmutation
图4 NTG处理L 167致死率结果
Fig.4 LethalityofL167byNTG
24 遗传稳定性研究
  由图2可知,菌株K 16和L 167的变异性可
遗传,产L丝氨酸稳定。
  将突变株N 13在斜面培养基上连续进行0~
4℃保存、传代,再测定其产L 丝氨酸能力,结果见
表2。由表2可知,N 13传代5次,其产L丝氨酸
能力并没有下降,保持稳定,说明 N 13其变异性
可遗传,产L丝氨酸稳定。
表2 突变株N 13的稳定性考察
Table2 ThestabilityoftheLserineproduction
ofthestrainN13
测定项目
传代次数
1 2 3 4 5
ρ(L丝氨酸)/
(g·L-1)
431 429 431 427 430
ρ(干菌体)/
(g·L-1)
2243 2256 2268 2282 2254
94 第3期 张 超等:甲基营养型L丝氨酸产生菌的选育
25 营养因素对发酵的影响
  由表3~5可知,营养因子对 L 丝氨酸产量影
响程度从高到低依次为甘氨酸、(NH4)2SO4、玉米
浆。最适产L丝氨酸条件为A3BlC3,即20g/L甘
表3 正交试验因素水平
Table3 Factorsandlevelsoforthogonalexperiment
g·L-1
水平
因素

ρ(甘氨酸)

ρ(硫酸铵)

ρ(玉米浆)
1 10 15 20
2 15 20 5
3 20 5 15
4 25 10 10
表4 三因素四水平正交实验
Table4 L16(4)
3Optimizationoffermentationconditions
试验号 A B C ρ(L 丝氨酸)/(g·L-1)
1 1 1 1 098
2 1 2 2 106
3 1 3 3 082
4 1 4 4 164
5 2 1 2 262
6 2 2 1 086
7 2 3 3 129
8 2 4 4 094
9 3 1 4 395
10 3 2 3 325
11 3 3 2 270
12 3 4 1 145
13 4 1 3 430
14 4 2 4 239
15 4 3 2 125
16 4 4 1 262
表5 正交试验结果分析
Table5 Analysisoftheorthogonalexperiment
方差源 A B C
K1 1125 2963 1478
K2 1428 1890 1908
K3 2838 1515 2415
K4 2640 1663 2230
R 1713 1448 0937
氨酸,15g/L(NH4)2SO4,15g/L玉米浆,在该条件
下菌株N 13产L丝氨酸可达481g/L,L丝氨酸
产量较出发菌株J 12提高979%。
3 结 论
  以假单胞菌J 12为出发菌株,经 DES和 NTG
诱变处理,获得1株 L 丝氨酸高产菌 N 13,其发
酵液中L丝氨酸产量较出发菌株提高979%。在
含有20g/L甘氨酸和7mL/L甲醇的培养基中,L
丝氨酸积累可达481g/L。
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