圆红冬孢酵母新颖脂肪酸合酶的重组表达、纯化与活性检测

脂肪酸合酶(Fatty acid synthase,FAS)催化乙酰辅酶A和丙二酸单酰辅酶A反应生成脂肪酸,是油脂合成代谢途径中最重要的酶之一。在高产油脂的圆红冬孢酵母Rhodosporidium toruloides中发现了一种新颖的FAS,它含两个亚基,与其他物种的FAS相比,具有独特的结构域组成,尤其是含两个酰基载体蛋白(ACP)结构域。由于ACP在脂肪酸合成反应中起辅因子作用,推测多个ACP有利于提高FAS的催化活性,为研究该FAS的生物化学和结构特征,构建了表达FAS两个亚基的载体,并转化大肠杆菌Escherichia coli BL21(DE3),含pET22b-FAS1和pET24-FAS2质粒的重组菌株ZWE06可同时高表达两个亚基,经硫酸铵沉淀、蔗糖密度梯度离心和阴离子交换层析纯化,得到的重组FAS比活力达到548 mU/mg。纯化的FAS复合物可用于后续酶动力学和蛋白结构研究,且表达与纯化方法的建立对研究其他ACP的功能具有参考价值。     

圆红冬孢酵母基因编辑及天然产物合成的研究进展

圆红冬孢酵母(Rhodotorula toruloides)是一种能够天然合成多种类胡萝卜素和油脂的非模式酵母。该菌能够利用各种廉价原料,耐受甚至同化利用多种有毒木质纤维素水解副产物。目前,该酵母被广泛用于微生物油脂、萜烯类化合物、各种高价值酶、糖醇和聚酮化合物的生产研究。鉴于其广阔的工业应用前景,研究人员对其开展了多维度的理论和技术的探索,包括基因组、转录组、蛋白组、遗传操作平台等。本文着重阐述近年来圆红冬孢酵母的代谢工程和天然产物合成的研究进展,并展望其细胞工厂构建中面临的挑战和可能的应对决策。     

圆红冬孢酵母发酵菊芋块茎产油脂的研究

研究了圆红冬孢酵母Y4发酵菊芋块茎,菊芋品种及其处理方法对发酵产油的影响。结果表明,菊芋浸提汁、酸水解液或菊芋浆均可直接被圆红冬孢酵母Y4利用,发酵积累油脂,但白皮菊芋比紫皮菊芋更有利于油脂发酵。发酵菊芋浸提汁或酸水解液时,无需添加外源营养物,干菌体油脂含量可达到40%（w/w）;发酵菊芋浆时,白皮菊芋转化率达到12.1 g油/100 g去皮干菊芋。菊芋油脂发酵产品主要以16碳和18碳系脂肪酸为主,与常规植物油的脂肪酸组成相似,可作为制备生物柴油的新型替代原料。     

恒化培养稀释率和碳氮比对圆红冬孢酵母油脂积累的影响

采用恒化培养的方法,考察了稀释率(D)和碳氮比(mol/mol)对圆红冬孢酵母Rhodosporidiumtoruloides AS 2.138 9积累油脂的影响。结果表明:稀释率增大,油脂含量和油脂得率降低。在D=0.02 h 1时油脂得率最大,为0.18 g油/g糖;D=0.14 h 1时油脂生成速率最大,为0.09 g/(L.h)。碳氮比增大,油脂含量略有增加。在C/N=92时油脂得率最大,为0.12 g油/g糖;C/N=32时油脂生成速率最大,为0.13 g/(L.h)。碳氮比对油脂的脂肪酸组成影响不明显,油脂的棕榈酸、硬脂酸和油酸总含量超过85%。     

圆红冬孢酵母自主复制序列分离和利用游离型质粒进行基因敲除

【目的】与整合型表达载体相比,游离型表达载体通常具有更高的拷贝数以实现目标基因的高强度表达,并且对于DNA操作应用更加方便和灵活。然而,目前的研究尚未确定适用于圆红冬孢酵母的游离型质粒,该酵母外源基因的表达或者基于CRISPR/Cas9的基因组编辑都需要通过整合方式来完成,这也是对其遗传改造进展缓慢的一个重要原因。本研究目的是构建圆红冬孢酵母的游离型质粒,使得其外源基因的表达和基因组编辑更方便省时。【方法】首先对圆红冬孢酵母苯丙氨酸氨裂解酶基因(phenylalanine ammonia-lyase gene, PAL)中可能存在的自主复制序列(autonomously replicating sequences, ARSs)进行挖掘和表征,将该基因及其上下游序列进行分段扩增,构建到带有β-异丙基苹果酸脱氢酶基因(β-isopropyl malate dehydrogenase gene, LEU2)的质粒中,通过电转化的方法导入LEU2基因缺陷的圆红冬孢酵母中,根据转化效率高低鉴定了该酵母的一个ARS。其次,以编码香叶基香叶基焦磷酸合成酶(geranylgeranyl pyrophosphate synthase, GGPPS)的BTS1基因为敲除靶点,将其gRNA构建到基于ARS的游离型质粒中,通过转化子直观的颜色变化来验证该游离型质粒是否成功应用于圆红冬孢酵母的CRISPR/Cas9体系。【结果】本工作鉴定了圆红冬孢酵母的ARS,构建了基于ARS元件的游离型质粒,并将该质粒应用于圆红冬孢酵母CRISPR/Cas9体系,成功实现了基于游离型质粒的基因敲除。【结论】本研究丰富了圆红冬孢酵母现有的工具库,为圆红冬孢酵母的合成生物学应用提供了良好的研究基础和技术支持。     

红冬孢酵母苹果酸酶基因RKME1的克隆与表达

苹果酸酶(malic enzyme,ME)普遍存在于各种生物体中,在二价阳离子(Mg~(2+)或者Mn~(2+))的存在下,它可以催化L-苹果酸进行氧化脱羧反应,产生丙酮酸、CO_2和NADPH。前期分析结果预测红冬孢酵母YM25235菌株具有2个苹果酸酶同功酶基因RKME1和RKME2,而且RKME1基因在15℃低温条件下mRNA转录水平显著提高。为了验证RKME1的结构与功能,以红冬孢酵母YM25235 cDNA为模板,PCR扩增得到大小为1 623 bp的开放阅读框,共编码540个氨基酸。序列分析结果显示该序列含有苹果酸酶保守的4个结构域(Ⅰ~Ⅳ),同源建模结果显示该序列的三级结构和蛔虫中的苹果酸酶晶体结构有较高相似性且高度保守。进一步将RKME1插入到载体pET32a(+)中构建重组表达质粒pET32a-RKME1,然后导入大肠杆菌BL21中进行表达。经IPTG诱导,获得了相对分子质量约为70 kD的蛋白质条带。将该蛋白质进行镍柱亲和层析纯化后,酶活分析的结果表明,重组表达的RKME1蛋白可催化苹果酸脱氢生成丙酮酸,同时生成NADPH,酶活为160 U/mg以上。上述结果表明,RKME1是一个新的苹果酸酶基因,这为深入研究苹果酸酶与红冬孢酵母低温条件下生长适应性之间的关系奠定了基础。     

β-1,3-葡甘露聚糖酶辅助提取圆红冬孢酵母油脂

为考察β-1,3-葡甘露聚糖酶辅助提取圆红冬孢酵母Rhodosporidium toruloides油脂工艺的应用潜力,以R. toruloides Y4发酵醪液为原料,乙酸乙酯为溶剂,在10 L规模下研究了酶解和萃取条件对油脂提取率的影响,并进行了初步物料平衡分析。结果表明：酶处理0.5 h,油脂提取率可达71.1%,酶解效率与10 mL小体系所取得的结果相当。通过多次萃取,有效缓解了乳化现象对油脂提取的影响。经过3次萃取,油脂提取率、溶剂回收率和总物料回收率分别达92.9%、87.0%和94.2%。酶辅助提取油脂工艺可直接利用油脂发酵醪液,提取率高,对设备要求低,具有很好的工业化应用潜力。     

构建可合成非天然辅酶的圆红冬孢酵母工程菌*

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD)及其还原态是生物体通用的氧化还原辅酶和重要小分子,参与胞内众多代谢反应,因此调控NAD水平不仅难以选择性作用于代谢途径,还常常产生意外的生物学效应。最近研究发现利用非天然辅酶烟酰胺胞嘧啶二核苷酸(nicotinamide cytosine dinucleotide,NCD),可构建正交的氧化还原催化体系,为调控胞内代谢提供了新机遇。为实现在产油酵母圆红冬孢酵母中建立NCD介导的氧化还原代谢,采用农杆菌介导转化方法,在基因组整合表达密码子优化的NCD合酶(NcdS)编码基因NCDS,获得系列有效表达NcdS的工程菌株。酶偶联法分析发现,工程菌细胞裂解液NcdS酶活达8.1×10^-3 U/OD_{600 nm}。通过高效液相色谱法(HPLC)和超高分辨率质谱检测,确定细胞裂解液可催化合成NCD。在培养基内补加5.0 mmol/L烟酰胺核糖后,工程菌胞内合成NCD达41.6 μmol/L。对工程菌进行发酵和油脂提取,发现胞内表达NCD合酶未导致细胞产油性能降低,后续可通过表达其他NCD偏好性酶,有望在圆红冬孢酵母中建立受NCD调控的油脂合成代谢体系。     

高山被孢霉Δ~6-脂肪酸脱氢酶基因在红冬孢酵母中的表达

以绿色荧光蛋白(green fluorescent protein,GFP)作为报告基因,将质粒pRH2304转化红冬孢酵母YM25235进行表达分析,荧光显微观察结果表明GFP在YM25235获得表达,建立了红冬孢酵母YM25235遗传转化方法。在此基础上,以高山被孢霉Δ6-脂肪酸脱氢酶基因取代pRH2304中的GFP基因,构建重组质粒pRH2304MAD6,将其转化红冬孢酵母YM25235进行表达分析。PCR结果表明,高山被孢霉Δ6-脂肪酸脱氢酶基因已经整合到YM25235基因组中,进一步的脂肪酸气相色谱分析结果表明,该基因编码产物催化n-6途径中的亚油酸转化成γ-亚麻酸,占细胞总脂肪酸的4.35%,但没有检测到催化n-3途径中的α-亚麻酸转化成十八碳四烯酸。     

胞红蛋白酵母双杂交载体的构建与表达

胞红蛋白（CGB）是一种新发现的分布于胞浆与胞核的携氧珠蛋白。为探讨CGB在体内的相互作用蛋白,从而促进对其分子调控网络的认识,根据CGB基因的开放阅读框架设计并合成PCR引物,从人胎肝cDNA文库中扩增得到该基因编码区.测序分析正确后将其定向克隆到酵母表达载体pGBKT7中,构建获得CGB的酵母表达载体pGBKT7-CGB,并在酵母菌AH109中表达。提取酵母总蛋白并利用标签蛋白（myc）的抗体进行免疫印迹检测。结果表明所构建的CGB酵母表达载体能够在酵母中高效表达,可用于后续的酵母双杂交文库的筛选工作。     

糖多孢红霉菌多拷贝表达载体pZM的构建

对糖多孢红霉菌染色体上红霉素生物合成基因进行改造 ,已经合成了多种红霉素类似物。在糖多孢红霉菌中对红霉素类似物进行结构修饰 ,以pWOR1 0 9质粒为基础构建糖多孢红霉菌多拷贝表达载体pZM。pZM载体带有PermE启动子、fd终止子、多克隆位点、硫链丝菌肽和氨苄青霉素抗性基因、以及在大肠杆菌和糖多孢红霉菌中复制的ColE1ori和pJV1ori复制子 ,系可在大肠杆菌和糖多孢红霉菌中扩增的穿梭质粒。在糖多孢红霉菌中 ,pZM可以表达氨普霉素抗性基因和绿色荧光蛋白基因 ,从糖多孢红霉菌中提取的表达质粒酶切图谱与转化前一致 ,表明pZM是糖多孢红霉菌中多拷贝、稳定的表达载体。     

不同营养元素限制对圆红冬胞酵母油脂生产的影响

以产油酵母圆红冬胞酵母（Rhodosporidium toruloides）作为研究对象,系统地研究了氮、磷、硫限制对其油脂积累的影响,并在3L生物反应器上考察了R.toruloides在C/P摩尔比为1 133.3时初始葡萄糖浓度对油脂生产的影响。结果表明：氮、磷、硫中任意一种营养元素受限,均能促使R.toruloides在胞内积累高于自身干重60%的油脂;通过改变培养基的组成,可以调节油脂中脂肪酸的构成,使油脂中饱和脂肪酸比例高于70%或不饱和脂肪酸比例高于60%。就油脂生产强度及转化效率而言,磷限制优于氮限制或硫限制。当C/P摩尔比相同时,初始葡萄糖浓度越低越有利于油脂生产。对采用不同原料生产微生物油脂的技术有一定指导意义。     

圆红冬孢酵母菌发酵产油脂培养基及发酵条件的优化研究

采用均匀设计和单因子试验法,系统考察了圆红冬孢酵母菌(Rhodosporidiumtoruloides)在不同碳氮比条件下产油发酵情况以及添加无机盐对产油发酵的影响,通过均匀设计软件对二次多项回归方程求解及单因素分析得知在培养基组成分别为葡萄糖70g/L,硫酸铵0.1g/L,酵母粉0.75g/L,磷酸二氢钾0.4g/L,七水硫酸镁1.5g/L,初始pH6.0,在灭菌(121℃15min)后添加ZnSO41.91×10-6mmol/L、CaCl21.50mmol/L、MnCl21.22×10-4mmol/L、CuSO41.00×10-4mmol/L。发酵摇瓶装液量为250mL三角瓶装培养基50mL,接种量为10%(种龄28h)。在上述条件下,30℃振荡(200r/min)培养120h,所得菌体油脂含量高达76.1%,脂肪得率系数可达22.7。     

载有磷酸甘油激酶基因启动子的新表达载体的构建以及在发酵性丝孢酵母中启动外源基因的表达研究

利用简并PCR技术从一株丝孢酵母(Trichosporon sp.)中克隆到磷酸甘油激酶基因的部分序列,然后利用染色体步移的方法克隆到了已知片段的上游序列约950bp。通过启动子序列分析软件分析,发现序列中含有启动子所需的必须元件如TATA BOX和CAAT BOX等,因此确定克隆到的基因片段含有启动子序列。将潮霉素基因置于该启动子下构建了丝孢酵母整合型表达载体pTFPH,并转化发酵性丝孢酵母(Trichosporon fermentans),转化后的酵母能够在含有潮霉素的抗性选择性平板长出,而未进行转化的对照菌株则不能生长。以上试验证明:丝孢酵母的磷酸甘油激酶基因启动子具有启动异源基因在发酵性丝孢酵母中表达的功能,这个结果为油脂酵母工程菌的构建和开发新的酵母表达宿主奠定了基础。     

过表达乙酰辅酶A乙酰基转移酶2基因(RKAcat2)对红冬孢酵母产类胡萝卜素的影响

[背景] 乙酰辅酶A乙酰基转移酶（Acetyl Coenzyme A Acyltransferase,Acat）是硫解酶家族的一员,分为I型和II型,而II型作为甲羟戊酸（Mevalonate,MVA）途径的第一个限速酶,其表达水平和催化活性会影响萜类及其衍生物的合成量。[目的] 分析Acat II型基因的过表达对红冬孢酵母产类胡萝卜素的影响。[方法] 从红冬孢酵母YM25235菌株中克隆编码Acat II型的基因RKAcat2,将其回转到红冬孢酵母YM25235菌株中,构建一株RKAcat2基因过表达菌株进行分析。[结果] 与对照菌株相比,RKAcat2基因过表达使YM25235菌株中类胡萝卜素含量提高了50.53%,而菌株中油脂含量降低了22.80%,脂肪酸组成中油酸含量显著下降了17.78%,而且菌株中乙酰辅酶A （Coenzyme A,CoA）的含量也下降了13.64%。[结论] 过表达RKAcat2基因促进更多乙酰CoA进入MVA途径中,从而提高了类胡萝卜素的合成水平,这与部分MVA途径和类胡萝卜素合成途径中基因的转录分析结果一致。研究结果可为进一步通过代谢工程手段提高产油红酵母中类胡萝卜素及其特定组分含量的研究提供参考。     

表达vgb的糖多孢红霉菌载体构建与活性鉴定

目的为了在糖多孢红霉菌(Sac.erythraea)中表达透明颤菌(Vitreoscilla)血红蛋白基因(vgb),发挥其在贫氧环境下与氧结合形成氧合态,而改变限氧时细胞原有的代谢方式,将vgb克隆于糖多孢红霉菌表达载体中。方法利用PCR技术克隆vgb,利用基因重组技术构建含有vgb的重组糖多孢红霉菌表达质粒,电穿孔法将vgb转化置糖多孢红霉菌中,鉴定采用SDS-PAGE电泳。vgb在重组糖多孢红霉菌表达产物的生物活性检测用Western blotting分析表示。结果克隆了含有vgb的重组糖多孢红霉菌表达质粒(pBlueV),分子量6.033 kb,筛选了重组糖多孢红霉菌株,重组菌株表达的血红蛋白能与1∶300的VHb抗体呈显色反应。结论vgb在糖多孢红霉菌中获得了表达,这对继续研究生产红霉素的工程菌改造,解决工业发酵工程菌高密度培养具有良好的应用前景。     

RS基因的植物表达载体和酵母表达载体构建

白藜芦醇合酶(RS)是Res生物合成的关键酶之一,它催化1分子4-香豆酰辅酶A和3分子丙二酰辅酶A反应合成Res.以花生中克隆的RS基因为基础,成功构建了RS基因的以Ubi为启动子的单子叶植物表达栽体pBIL-RS,为以后的基因工程遗传转化果蔗和其他单子叶植物改良其品质提供条件.同时构建了酵母表达载体pVT102U-RS,为下一步研究真核表达蛋白的生物活性提供条件,并为利用酵母生产Res提供了可能.     

苦瓜MAP30基因的毕赤酵母表达载体构建及重组菌株的筛选

目的:从苦瓜中克隆MAP30全长基因,并将该基因连接至表达载体pPIC9中,建立酵母菌落PCR筛选方法。方法采用改良SDS法从苦瓜表皮中提取基因组DNA,设计特异性的引物,通过PCR技术扩增出全长861bp的MAP30基因。该基因经XhoⅠ和EcoRⅠ双酶切,连接至毕赤酵母表达载体pPIC9中。重组载体转化GS115菌株,运用菌落PCR鉴定重组菌株。结果:基因测序表明,该基因已成功插入酵母表达载体pPIC9α-factor分泌信号下游,同源性分析表明该基因与GeneBank(AF284811)的核苷酸同源性达99.9%,氨基酸同源性达100%。菌落PCR显示外源基因已整合入酵母GS115菌株中。结论:成功地克隆了MAP30全长基因,并构建了含MAP30基因的重组毕赤酵母表达载体,并获得了整合菌株,为下一步研究奠定了基础。     

用于丝状真菌的苯菌灵标记基因benA表达载体的构建

为了构建适用于丝状真菌遗传转化的表达载体,在质粒pAN52-1的高效组成型三磷酸甘油醛脱氢酶基因启动子PgpdA和色氨酸C基因终止子TtrpC之间加入内切酶NotⅠ和ClaⅠ两个位点,构成质粒pAN52-2;把质粒pAN52-2中从启动子PgpdA到终止子TtrpC的基因片段通过PstⅠ和XbaⅠ酶切位点导入到pUC19载体上,并且应用PCR的方法在启动子Pg-pdA的前端引入HindⅢ酶切位点,构成质粒pUCPT-2;通过PCR,在苯菌灵抗性基因benA两端分别加入内切酶NotⅠ和ClaⅠ酶切位点,并克隆到pGEM-T载体上,得到质粒pGEM-Ben;用NotⅠ分别酶切质粒pUCPT-2与pGEM-Ben,连接苯菌灵抗性基因benA到pUCPT-2上,得到了pUCPT-Ben载体。经PCR、酶切和核苷酸序列检测,证实了PgpdA-benA-TtrpC表达元件连接成功,即得到了苯菌灵抗性基因高效表达载体。     

圆红冬孢酵母的密码子用法分析

运用CodonW等软件,分析了圆红冬孢酵母Rhodosporidium toruloides基因组中191个蛋白质编码基因的密码子使用模式,包括密码子3个位置上的GC含量、有效密码子数和密码子使用频率。圆红冬孢酵母有效密码子数ENc值为38.9,密码子GC含量为63%,密码子第三位GC含量为78.3%,且偏好使用G或C结尾的密码子,确定了圆红冬孢酵母R. toruloides的21个高表达优越密码子。研究发现,圆红冬孢酵母与毕赤酵母、酿酒酵母、大肠杆菌和拟南芥在密码子使用频率上有较大差异,而与解脂耶氏酵母和果蝇差异相对较小。研究结果对提高外源基因在圆红冬孢酵母中表达效率及相关代谢工程和合成生物学研究有一定意义。