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        新型谷胱甘肽合成酶重組菌的發(fā)酵工藝優(yōu)化

        2020-06-28 09:38:50湯利文趙士敏
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2020年8期
        關(guān)鍵詞:畢赤溶氧谷胱甘肽

        趙 翔 孫 超 湯利文 向 潔 趙士敏 許 崗

        (湖南福來格生物技術(shù)有限公司,湖南 長沙 422010)

        谷胱甘肽(GSH)是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組成的活性三肽[1],由于其重要的抗氧化生理功能,GSH 在食品、醫(yī)藥、保健品及化妝品領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用[2-3]。谷胱甘肽在生物體內(nèi)最普遍的合成途徑是通過2 步依賴于ATP 的酶催化完成,首先利用γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(GSH Ⅰ)將谷氨酸和半胱氨酸催化合成谷氨酰基半胱氨酸,再通過谷胱甘肽合成酶(GSH Ⅱ)連接甘氨酸合成谷胱甘肽[4]。近年來在一些革蘭氏陽性細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)一種新型的雙功能谷胱甘肽合成酶(GshF),兼具GSH Ⅰ和GSH Ⅱ的活性[5],能將3 種氨基酸直接催化合成谷胱甘肽,且產(chǎn)物對其不存在反饋抑制,在谷胱甘肽生物合成中有著重要的應(yīng)用價值。

        1 材料與方法

        1.1 菌種

        重組GshF 大腸桿菌和畢赤酵母菌由該實驗室自行構(gòu)建和保存。

        1.2 培養(yǎng)基

        大腸桿菌SOC 培養(yǎng)基:2%的胰蛋白胨,0.5 %的酵母提取物,10 mM 的NaCl,2.5 mM 的KCl,10 mM 的MgCl2,10 mM的MgSO4,20 mM 的葡萄糖。

        酵母發(fā)酵培養(yǎng)基:4%的甘油,1.5%的硫酸鎂,0.25%的硫酸鈣,0.15%的NaCl,0.6%的KOH,10 mL/L 的磷酸,2 mL/L 的微量元素PTM1。

        1.3 培養(yǎng)條件

        大腸桿菌培養(yǎng)條件控制:活化種子按1%的接種量接種于發(fā)酵罐培養(yǎng)基中,初始pH7.0,培養(yǎng)溫度37 ℃,調(diào)節(jié)空氣流量和轉(zhuǎn)速,控制溶氧40%以上,溶氧反彈開始補(bǔ)加葡萄糖,使用溶氧反饋補(bǔ)料方式,當(dāng)OD600達(dá)到要求時,緩慢降溫誘導(dǎo),全程氨水調(diào)節(jié)pH 值。

        酵母菌培養(yǎng)條件控制:按1%的接種量接種于發(fā)酵罐培養(yǎng)基中,初始pH5.0,溫度30 ℃,調(diào)節(jié)空氣流量和轉(zhuǎn)速,控制溶氧30%以上,溶氧反彈后開始補(bǔ)加甘油,8 h 后單獨補(bǔ)加甲醇,溶氧反饋補(bǔ)加,氨水調(diào)節(jié)pH 值,發(fā)酵時間為115 h。

        1.4 檢測方法

        1.4.1 生物量測定

        細(xì)胞密度測定:取適量發(fā)酵液于紫外可見光分光光度計上,測600 nm 處的吸光光度,以O(shè)D600值表示發(fā)酵液中的細(xì)胞濃度。

        菌體生物量的測定:取發(fā)酵液10 mL 吸入離心管內(nèi),控制轉(zhuǎn)速為10 000 r/min,離心20 min 后棄去上清液進(jìn)行稱重,計算后即為菌體質(zhì)量濃度。

        1.4.2 粗酶液抽提

        移取0.5 mL 發(fā)酵液樣品于1.5 mL 規(guī)格的離心管中(離心管中預(yù)先加入一定量的玻璃珠),在MS3 振蕩器上振蕩20 min(振蕩器振蕩頻率設(shè)為1 500 次/min),離心取清液作為粗酶液。

        1.4.3 谷胱甘肽合成酶活力檢測

        依次稱取半胱氨酸、谷氨酸、甘氨酸、ATP 和MgCl2·6H2O溶解于0.1 mol/L、pH8.0 的Tris-HCl 緩沖液配制成的底物溶液,其中半胱氨酸∶谷氨酸∶甘氨酸∶ATP ∶Mg2+摩爾比為80 ∶120 ∶120 ∶120 ∶160。精確移取粗酶液至50 mL試管中,加入已預(yù)熱至37 ℃的底物溶液10 mL,于37 ℃的水浴中攪拌反應(yīng)10 min 后,加入25%的三氯乙酸溶液2 mL終止反應(yīng)。離心上清液定容后進(jìn)行HPLC 分析(色譜柱shimpack XR-ODS 2 μm 4.6 mm×30 mm,波長210 nm,流速1.0 mL/min)。谷胱甘肽合成酶活力計算公式為:

        式中:W1為谷胱甘肽標(biāo)準(zhǔn)品稱量,mg。p1為谷胱甘肽標(biāo)準(zhǔn)品含量,%。A1和A2為樣品HPLC 檢測中谷胱甘肽面積。M 為谷胱甘肽分子量。T 為反應(yīng)時間,min。V 為液態(tài)酶取樣量,mL。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 大腸桿菌表達(dá)GshF的發(fā)酵工藝優(yōu)化

        2.1.1 誘導(dǎo)溫度的考察

        誘導(dǎo)溫度對菌體生長速率、質(zhì)粒穩(wěn)定性和產(chǎn)物蛋白折疊等都有重要影響。為獲得最佳誘導(dǎo)溫度,分別調(diào)整誘導(dǎo)溫度至23 ℃、25 ℃、28 ℃、30 ℃進(jìn)行優(yōu)化對比,結(jié)果如圖1 所示。在25 ℃誘導(dǎo)時,酶活達(dá)到最高值(68.5 U/mL)。在較低的溫度條件下雖然有利于其分泌和正確的折疊,但總菌體量和酶活較低。在較高溫度條件下,GshF 的過快表達(dá)可能會影響其正確折疊,容易產(chǎn)生包涵體。

        圖1 誘導(dǎo)溫度對大腸桿菌表達(dá)GshF 的影響

        2.1.2 誘導(dǎo)pH的優(yōu)化

        實驗中在發(fā)酵前期控制pH7.0,誘導(dǎo)后分別控制pH6.0、pH6.5、pH7.0、pH7.5、pH8.0 培養(yǎng)40 h 后檢測酶活。結(jié)果如圖2 所示,最適宜的誘導(dǎo)表達(dá)pH 為6.5,GshF 發(fā)酵活力達(dá)到71.4 U/mL。

        圖2 誘導(dǎo)pH 對大腸桿菌表達(dá)GshF 的影響

        2.1.3 誘導(dǎo)劑的選擇

        實驗分別選用0.2 mmol/L的IPTG、1.2%的半乳糖和1.2%的乳糖進(jìn)行對比,在分批補(bǔ)料的控制下誘導(dǎo)培養(yǎng)40 h,檢測酶活,結(jié)果如圖3 所示。乳糖誘導(dǎo)活力達(dá)到71.2 U/mL,與強(qiáng)誘導(dǎo)劑IPTG 結(jié)果基本一致,優(yōu)于半乳糖的誘導(dǎo)結(jié)果。此外乳糖還具備無毒和價廉的優(yōu)點,更適合在大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)中使用。

        2.1.4 誘導(dǎo)時機(jī)的選擇

        分別選擇細(xì)胞密度OD600值在20、25、30、35、40、45加入1.2%的乳糖誘導(dǎo),結(jié)果如圖4 所示。在重組菌培養(yǎng)至對數(shù)生長中期OD600=35 時進(jìn)行誘導(dǎo),GshF 的可溶表達(dá)量最大,此時酶活最高,達(dá)到75.2 U/mL。誘導(dǎo)時機(jī)過早會導(dǎo)致菌體終濃度下降從而影響GshF 產(chǎn)量。而過晚誘導(dǎo),雖可獲得較高的菌體量,但酶活表達(dá)明顯下降。

        圖3 誘導(dǎo)劑種類對大腸桿菌表達(dá)GshF 的影響

        圖4 誘導(dǎo)時機(jī)對大腸桿菌表達(dá)GshF 的影響

        2.2 畢赤酵母表達(dá)GshF發(fā)酵工藝優(yōu)化

        畢赤酵母表達(dá)系統(tǒng)能在唯一碳源甲醇的誘導(dǎo)下高效啟動外源蛋白的表達(dá),畢赤酵母的培養(yǎng)通常分為菌體生產(chǎn)和甲醇誘導(dǎo)2 個階段,通過生長環(huán)境和補(bǔ)料策略的控制,可以達(dá)到提高外源蛋白表達(dá)量的目的[6]。

        2.2.1 誘導(dǎo)溫度優(yōu)化

        由圖5 可知,畢赤酵母酶活表達(dá)呈現(xiàn)前期增速慢,中期酶活增長快,后期酶活略有降低的趨勢。誘導(dǎo)溫度25 ℃條件下,GshF 酶活最高,達(dá)到110.3 U/mL,因此選擇誘導(dǎo)溫度為25 ℃。

        2.2.2 誘導(dǎo)pH優(yōu)化

        誘導(dǎo)pH 優(yōu)化結(jié)果如圖6 所示,pH5.0 和pH5.5 酶活較高,增長趨勢也比較一致,GshF 最高酶活分別為124.1 U/mL和120.6 U/mL。根據(jù)分析結(jié)果,選擇畢赤酵母的誘導(dǎo)pH 為5.0。

        2.2.3 溶氧控制范圍的優(yōu)化

        畢赤酵母利用甲醇時需要消耗大量的氧氣,溶氧不足會限制菌體增殖,并且造成甲醇及其代謝物的累積。圖7 表明:當(dāng)溶氧控制在10%以下,中后期酶活增長平緩。當(dāng)溶氧控制超過40%,酶活也較低。所以過高或過低的溶氧都不利于畢赤酵母合成GshF,當(dāng)溶氧范圍為10%~20%時,酶活最高達(dá)到了133.5 U/mL。

        圖5 誘導(dǎo)溫度對畢赤酵母表達(dá)GshF 的影響

        圖6 誘導(dǎo)pH 對畢赤酵母表達(dá)GshF 的影響

        圖7 溶氧控制范圍對畢赤酵母表達(dá)GshF 的影響

        3 結(jié)論

        利用發(fā)酵罐研究了重組大腸桿菌誘導(dǎo)溫度、pH 值、誘導(dǎo)時機(jī)等培養(yǎng)條件對菌體生長及GshF 酶活的影響,確定最佳培養(yǎng)條件為pH6.5、誘導(dǎo)溫度25 ℃、在對數(shù)生長中期(OD600=35)時流加誘導(dǎo)培養(yǎng)基,GshF 酶活達(dá)到75.2 U/mL,比優(yōu)化前提高了31.3%。同時還對表達(dá)GshF 畢赤酵母菌的發(fā)酵工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化,確定誘導(dǎo)條件為25 ℃、pH5.0和溶氧控制范圍為10%~20%,GshF 最高酶活為133.5 U/mL。經(jīng)過優(yōu)化后的大腸桿菌和畢赤酵母的發(fā)酵、GshF 酶活都能達(dá)到較高水平,可以依據(jù)用途選擇不同的宿主菌進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)。

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