汪澤,王開方,胡揚帆,毛忠貴,陳旭升*
1(工業(yè)生物技術(shù)教育部重點實驗室(江南大學(xué)),江蘇 無錫,214122)2(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院,江蘇 無錫,214122)
ε-聚賴氨酸(ε-poly-L-lysine,ε-PL)是于1977年在小白鏈霉菌(Streptomycesalbulus)培養(yǎng)液中發(fā)現(xiàn)的一種同型氨基酸聚合物,其分子結(jié)構(gòu)是由25~35個L-賴氨酸單體通過ε-氨基和α-羧基脫水縮合而成[1]。因其能在pH 6~8環(huán)境中有效抑制G+/G-細(xì)菌、酵母菌和霉菌生長,甚至對一些耐熱性芽孢桿菌和病毒也有明顯抑制作用[2-3],故展現(xiàn)出廣泛的抑菌活性,被作為防腐劑應(yīng)用于食品、化妝品、紡織、皮革和造紙等領(lǐng)域[4-5]。另外,作為多陽離子生物聚合物,ε-PL還被用作藥物載體、芯片包被材料等[6-7]。因此,ε-PL是一種具有較大市場需求和經(jīng)濟價值的新型生物發(fā)酵產(chǎn)品。
提高ε-PL發(fā)酵水平以降低其生產(chǎn)成本是推動ε-PL 在上述領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的重要前提。因此,獲得1株發(fā)酵產(chǎn)量高、工業(yè)屬性強的ε-PL生產(chǎn)菌是過去40多年來的研究重點。HIRAKI等[8]于1998年借助物理/化學(xué)誘變結(jié)合S-2-氨基乙基-L-半胱氨酸和甘氨酸雙重抗性篩選,通過20多年的反復(fù)選育獲得1株ε-PL高產(chǎn)突變菌株S.albulus11011A,其搖瓶產(chǎn)量達(dá)到2.11 g/L,較出發(fā)菌提高了10倍。通過進(jìn)一步發(fā)酵工藝的優(yōu)化,實現(xiàn)192 h連續(xù)發(fā)酵ε-PL產(chǎn)量達(dá)到48.3 g/L[9]。本研究團隊,自2000年開始,綜合利用物理/化學(xué)誘變、基因組重排[10]、核糖體工程和抗性篩選[11]等策略,選育獲得一系列ε-PL高產(chǎn)菌株,其中S.albulusGS114搖瓶產(chǎn)量達(dá)到3.0 g/L(較出發(fā)菌株提高了近10倍),5 L發(fā)酵罐產(chǎn)量達(dá)到53.5 g/L(192 h)[12]。盡管傳統(tǒng)誘變選育實現(xiàn)了生產(chǎn)菌ε-PL合成能力的大幅度提高,但選育時間長、工作量繁重和不確定性因素多,成為進(jìn)一步提高生產(chǎn)菌ε-PL合成能力的瓶頸。隨著基因工程和組學(xué)技術(shù)的發(fā)展,利用代謝工程手段改造ε-PL生產(chǎn)菌成為一種有效的方法[13-15]。
已有的研究資料顯示,ε-PL生物合成是以L-賴氨酸作為前體、ATP作為輔因子,在ε-PL合成酶(Pls)催化下形成ε-PL[16]。那么,通過在S.albulus中過表達(dá)pls是否能夠提高ε-PL產(chǎn)量?令人遺憾的是,目前國內(nèi)外還未見相關(guān)報道。本研究首先構(gòu)建pls過表達(dá)菌株S.albulusM-Z18/pIB139-pls,再通過外源添加L-賴氨酸和ATP強化前體和能量輔因子供給,以嘗試提高S.albulusM-Z18的ε-PL合成能力。
1.1.1 菌株與質(zhì)粒
本實驗所使用的菌株及質(zhì)粒如表1所示。目的基因擴增引物及qRT-PCR驗證引物如表2所示。
表2 本研究中使用的引物序列Table 2 Primer sequences used in this study
1.1.2 酶與試劑
菌株構(gòu)建酶和試劑盒:限制性內(nèi)切酶、質(zhì)粒提取試劑盒、片段純化試劑盒、感受態(tài)制備試劑盒,TaKaRa;一步克隆試劑盒、Phanta酶,南京諾唯贊生物科技有限公司。
qRT-PCR相關(guān)試劑盒:B511321 Trizol 總RNA抽提試劑盒、UNlQ-10柱式Trizol總RNA抽提試劑盒,上海生工;GeneRuler DNA Ladder Mix、Maxima Reverse Transcriptase,Thermo Scientific。
1.1.3 培養(yǎng)基
固體培養(yǎng)基及種子培養(yǎng)基分別選用BTN和M3G培養(yǎng)基[17];搖瓶、分批、補料分批發(fā)酵培養(yǎng)基(RSM培養(yǎng)基)(g/L):葡萄糖 60,酵母粉 10,(NH4)2SO410,MgSO4·7H2O 0.8, FeSO4·7H2O 0.05,KH2PO44,pH 6.8;LB培養(yǎng)基(g/L):胰蛋白胨 10,酵母粉 5,NaCl 5,pH 7.0;MS培養(yǎng)基(g/L):甘露醇 20,黃豆粉 20,瓊脂 20,pH自然。滅菌后加入MgCl2至終濃度10 mmol/L;YT培養(yǎng)基(2×)(g/L):胰蛋白胨 16,酵母粉 10,NaCl 5,pH 7.0; TAE緩沖液(50×)(g/L):Tris 242,EDTA 18.612,冰醋酸 57.1 mL,pH 8.3。
1.1.4 儀器與設(shè)備
AB204-N分析天平,瑞士梅特勒公司;SW-CJ-1FD超凈工作臺,蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司;GNP-9160隔水式恒溫培養(yǎng)箱,上海光都儀器設(shè)備有限公司;HYL-C組合式搖床,太倉市強樂設(shè)備有限公司;3K15高速冷凍離心機,德國西格瑪公司;UV-2100分光光度計,優(yōu)尼科儀器有限公司;GI100T高壓蒸汽滅菌器,致微儀器有限公司;C1000 Touch PCR儀、Gel Doc EZ 凝膠成像儀,BIO-RAD;DYCP-31DN 電泳儀,北京市六一儀器廠。
1.2.1 培養(yǎng)方法
種子培養(yǎng):挑取2~3環(huán)孢子接種至種子培養(yǎng)基,30 ℃、200 r/min培養(yǎng)20 h左右。
搖瓶發(fā)酵:將培養(yǎng)20 h左右的種子液按照8%(體積分?jǐn)?shù))接種量接入RSM培養(yǎng)基,30 ℃、200 r/min培養(yǎng)約24 h后(pH值下降至4.0左右),加入預(yù)調(diào)pH為4.0的L-賴氨酸和ATP母液至終濃度分別為5 g/L和1.0 mmol/L,繼續(xù)發(fā)酵至96 h結(jié)束。
發(fā)酵罐發(fā)酵:在5 L發(fā)酵罐中裝入3.5 L RSM培養(yǎng)基,發(fā)酵開始前將初始pH調(diào)至6.8,接種后pH自然下降,當(dāng)pH降至pH 3.6~4.0時,加入預(yù)調(diào)pH 4.0 的L-賴氨酸和ATP母液,并一直維持L-賴氨酸質(zhì)量濃度為5.0 g/L、ATP濃度為1.0 mmol/L至發(fā)酵結(jié)束。同時,利用氨水將pH值控制在3.6~4.0直至發(fā)酵結(jié)束,其他參數(shù)按許永杰等[18]的方式控制。
上述培養(yǎng)基中均加入安普霉素至終質(zhì)量濃度50 μg/mL。
1.2.2 感受態(tài)細(xì)胞制備
參照TaKaRa大腸桿菌感受態(tài)制備試劑盒說明書。
1.2.3 接合轉(zhuǎn)移及重組子的鑒定
從-80 ℃冰箱中取出保藏含過表達(dá)載體的E.coliET12567/pIB139甘油管,劃線分離后,30 ℃過夜培養(yǎng)。挑取單菌落接種到含5 mL LB液體培養(yǎng)基(安普霉素50 μg/mL,氯霉素和卡那霉素25 μg/mL)的試管中,37 ℃、200 r/min過夜培養(yǎng)。以1%(體積分?jǐn)?shù))接種量轉(zhuǎn)接新鮮的含相同抗生素的LB試管,相同條件培養(yǎng)至OD600達(dá)到0.4左右,冰浴5 min后離心棄上清,菌體沉淀用預(yù)冷的不含抗生素的LB培養(yǎng)基洗滌2次后,重懸于0.5 mL 2×YT培養(yǎng)基中,置于冰上備用。S.albulusM-Z18孢子制備:取生長8 d的平板,將整個平板上的孢子全部刮到10 mL無菌水中,玻璃珠充分打散后用脫脂棉過濾制備成孢子懸浮液。取250 mL孢子懸浮液加入到250 mL 2×YT的培養(yǎng)基中并混合均勻,50 ℃熱激10 min后,于37 ℃搖床,200 r/min預(yù)萌發(fā)2.5 h(或孢子剛剛萌發(fā)出芽管)。將上述的0.5 mL大腸桿菌和0.5 mL預(yù)萌發(fā)的孢子混合在一起,離心濃縮至100 μL涂布MS培養(yǎng)基,30 ℃倒置培養(yǎng)18 h。隨后,覆蓋安普霉素和萘啶酮酸,終濃度分別為50和25 μg/mL。相同條件,繼續(xù)培養(yǎng)3~4 d,挑取結(jié)合子轉(zhuǎn)接到含50 μg/mL安普霉素的BTN平板(可適當(dāng)加入萘啶酮酸以防有大腸桿菌污染)。5~8 d后,提取基因組做菌落PCR:挑取結(jié)合子孢子至種子培養(yǎng)基培養(yǎng)18~20 h,取4 mL種子液,離心去上清,按照TaKaRa提基因組試劑盒提取基因組,以pIB139通用引物(表2)做PCR驗證:95 ℃預(yù)變性5 min,95 ℃變性30 s,退火15 s,退火溫度52 ℃(pls擴增時溫度為72 ℃),72 ℃延伸2.06 min,循環(huán)次數(shù)為35次,72 ℃延伸10 min,4 ℃維持。
1.2.4 分析方法
菌體干重(dry cell weight,DCW)測定:10 mL發(fā)酵液在5 000 r/min離心15 min,沉淀倒入干燥并稱重的濾紙上用去離子水洗滌2次后,105 ℃烘干至恒重,稱重并計算菌體量。上清液用于ε-PL等含量的測定。
ε-PL濃度測定:使用甲基橙法,具體參考ITZHAKI[19]測定方法。
葡萄糖濃度測定:使用生物傳感分析儀。樣品稀釋100倍,25 μL進(jìn)樣量進(jìn)行測定,生物傳感分析儀示數(shù)即為發(fā)酵液中葡萄糖濃度。
1.2.5 qRT-PCR
首先按照UNIQ-10柱式Trizol總RNA抽提試劑盒(B511321)操作步驟提取RNA,核酸電泳檢查RNA提取質(zhì)量,每個樣品做3次重復(fù)。其次,按照800 ng RNA進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄得到cDNA,具體反應(yīng)條件按照WANG等[20]方法進(jìn)行,將得到的cDNA于-20 ℃保存。最后,將cDNA樣品稀釋10倍作為PCR反應(yīng)模板進(jìn)行PCR反應(yīng):2× SybrGreen qPCR Master Mix 10 μL,引物FPpls-qTF(10 μmol/L) 0.4 μL,引物Ppls-qTR (10 μmol/L) 0.4 μL,cDNA 2 μL,用ddH2O補足體系至20 μL。PCR條件按照WANG等[21]方法進(jìn)行。
以S.albulusM-Z18基因組為模板,以引物pls-F/R進(jìn)行PCR擴增,得到大小為4 069 bp的pls基因,如圖1-a所示。將擴增得到的線性DNA片段pls回收純化后與線性化pIB139(經(jīng)NdeI和EcoR I酶切)進(jìn)行一步克隆組裝,并轉(zhuǎn)化至感受態(tài)E.coilDH5α進(jìn)行質(zhì)粒擴增。提取得到的質(zhì)粒雙酶切(圖1b)和測序驗證后,獲得正確重組質(zhì)粒pIB139-pls。最后,將質(zhì)粒pIB139-pls轉(zhuǎn)化入感受態(tài)E.coilET12567,并與預(yù)萌發(fā)的S.albulusM-Z18孢子混合涂布于MS平板進(jìn)行接合轉(zhuǎn)移?;旌吓囵B(yǎng)18 h后,分別覆蓋終質(zhì)量濃度50 mg/L的安普霉素和25 mg/L的萘啶酮酸,繼續(xù)培養(yǎng)2~3 d。將長出的結(jié)合子在含50 μg/mL安普霉素的BTN平板上進(jìn)行松弛培養(yǎng)2代,再以pIB139通用引物M13(47)-F和M13(48-R)(表2)對松弛培養(yǎng)后的菌落進(jìn)行菌落PCR驗證,得到理論大小正確的條帶(圖1-c),獲得重組過表達(dá)菌株S.albulusM-Z18/pIB139-pls。
a-pls基因的PCR擴增電泳圖;b-重組質(zhì)粒雙酶切鑒定;c-結(jié)合子菌落PCR鑒定結(jié)果圖1 pls分子驗證電泳圖Fig.1 Electropherogram of pls verification
將原始菌株S.albulusM-Z18、含空載質(zhì)粒菌株S.albulusM-Z18/pIB139和過表達(dá)菌株S.albulusM-Z18/pIB139-pls進(jìn)行搖瓶發(fā)酵。發(fā)酵結(jié)果顯示,S.albulusM-Z18/pIB139的ε-PL產(chǎn)量為(1.50±0.30) g/L與原始菌株S.albulusM-Z18產(chǎn)量(1.4~1.6 g/L)沒有明顯區(qū)別,而S.albulusM-Z18/pIB139-pls的ε-PL產(chǎn)量為(2.74±0.23) g/L,相較S.albulusM-Z18/pIB139和S.albulusM-Z18均提升了82.7%。進(jìn)一步qRT-PCR檢測顯示,過表達(dá)菌株S.albulusM-Z18/pIB139-pls中的pls基因轉(zhuǎn)錄水平較原始菌株S.albulusM-Z18上調(diào)了16.8倍,說明過表達(dá)pls基因能顯著提高ε-PL產(chǎn)量。
由于搖瓶發(fā)酵不能對pH值、溶氧、碳源濃度等發(fā)酵條件進(jìn)行有效控制,因此,將實驗環(huán)境改為5 L發(fā)酵罐補料分批發(fā)酵,結(jié)果如圖2所示。S.albulusM-Z18/pIB139和S.albulusM-Z18/pIB139-pls保持相同的菌體生長趨勢,均在96 h進(jìn)入平穩(wěn)期,并在132 h進(jìn)入衰亡期。同樣,ε-PL產(chǎn)量也保持相同的增長趨勢。發(fā)酵144 h后,S.albulusM-Z18/pIB139和S.albulusM-Z18/pIB139-pls的ε-PL產(chǎn)量分別達(dá)到37.57 g/L和40.62 g/L,菌體量分別為47.66 g/L和51.24 g/L。S.albulusM-Z18/pIB139-pls的菌體干重和ε-PL產(chǎn)量較S.albulusM-Z18/pIB139分別提高了26.1%和26.9%,表明S.albulusM-Z18/pIB139-pls的ε-PL產(chǎn)量增加可能是由菌體量的增加引起的。與上述搖瓶發(fā)酵結(jié)果相比,S.albulusM-Z18/pIB139-pls的ε-PL產(chǎn)量并未因為pls基因轉(zhuǎn)錄水平提高而增加。
圖2 S. albulus M-Z18/pIB139和S. albulusM-Z18/pIB139-pls在5 L發(fā)酵罐中補料分批發(fā)酵生產(chǎn)ε-PL結(jié)果Fig.2 Time profiles of S. albulus M-Z18/pIB139 and S. albulus M-Z18/pIB139-pls for ε-PL production in 5 L bio-fermenter by fed-batch fermentation
由2.2實驗結(jié)果可知,pls過表達(dá)之后的S.albulusM-Z18盡管其基因轉(zhuǎn)錄上調(diào)了16.8倍,而在發(fā)酵過程中的產(chǎn)量卻只有微小的提升,對此我們進(jìn)行了幾方面的猜想:pls基因轉(zhuǎn)錄大幅上調(diào),而基因翻譯過程可能收到某些因素的影響沒有起到相應(yīng)的效果;由于Pls是膜蛋白,需要結(jié)合到細(xì)胞膜表面才能進(jìn)行正常的工作,那么細(xì)胞膜上是否有充足的裝配位點?恒定條件下細(xì)胞合成ε-PL的胞內(nèi)物質(zhì)是一個穩(wěn)定的代謝水平,其胞內(nèi)合成的前體物質(zhì)L-賴氨酸是否有足夠的通量供其合成產(chǎn)物?我們通過考察第3個條件來初步判斷出現(xiàn)這種情況的可能原因。
由表3可知,外源添加L-賴氨酸均能夠提高空載菌和pls過表達(dá)菌的搖瓶產(chǎn)量。隨著L-賴氨酸濃度的增加(1.0~7.0 g/L),2株菌的ε-PL產(chǎn)量同步增加,并同時在5.0 g/LL-賴氨酸添加濃度時,實現(xiàn)最大ε-PL產(chǎn)量,分別達(dá)到(2.41±0.28) g/L和(3.35±0.08) g/L,較未添加分別提高了60.7%和22.2%。CHEN等[22]報道,外源添加2 g/LL-賴氨酸能夠提高S.albulusM-Z18搖瓶ε-PL產(chǎn)量5.2%,可知過表達(dá)pls能提高L-賴氨酸利用率和ε-PL產(chǎn)率。然而,外源添加ATP對S.albulusM-Z18/pIB139和S.albulusM-Z18/pIB139-pls搖瓶ε-PL產(chǎn)量的作用表現(xiàn)出顯著差異。添加ATP(1.0~4.0 mmol/L)能夠顯著提高S.albulusM-Z18/pIB139的ε-PL產(chǎn)量,但隨著ATP濃度增加,ε-PL產(chǎn)量提高幅度呈現(xiàn)下降趨勢;添加1.0 mmol/L ATP能夠?qū).albulusM-Z18/pIB139-pls搖瓶ε-PL產(chǎn)量提高18.2%,當(dāng)添加量超過1.0 mmol/L后,ε-PL產(chǎn)量卻顯著下降并且低于對照值,這表明相對高濃度的ATP對ε-PL的合成表現(xiàn)出一定的反饋抑制,我們推測是高濃度的ATP影響了糖酵解和氧化磷酸化進(jìn)程,進(jìn)而影響了菌體整體活力。當(dāng)我們在最適L-賴氨酸添加量(5.0 g/L)基礎(chǔ)上,繼續(xù)考察添加ATP(1.0~4.0 mmol/L)對提高ε-PL產(chǎn)量的作用,發(fā)現(xiàn)復(fù)合添加L-賴氨酸和ATP對2株菌的ε-PL產(chǎn)量影響如同單獨添加ATP,并在5.0 g/LL-賴氨酸+1.0 mmol/L ATP添加策略下,實現(xiàn)S.albulusM-Z18/pIB139-pls搖瓶ε-PL產(chǎn)量達(dá)到(3.99±0.72) g/L,較對照提高了45.6%,說明復(fù)合添加L-賴氨酸和ATP能夠最大化發(fā)揮ε-PL合成酶的作用。
表3 外源添加L-賴氨酸和ATP對pls過表達(dá)菌株合成ε-PL的影響Table 3 Effects of exogenous addition of ATP and lysine on ε-PL production by pls overexpressed strain
為了更準(zhǔn)確評估外源添加L-賴氨酸和ATP對過表達(dá)菌株S.albulusM-Z18/pIB139-pls發(fā)酵生產(chǎn)ε-PL的影響,我們將發(fā)酵過程放大到5 L發(fā)酵罐,發(fā)酵過程參數(shù)如圖3所示。S.albulusM-Z18-pIB139和S.albulusM-Z18/pIB139-pls在分別流加5.0 g/LL-賴氨酸+1.0 mmol/L ATP后,菌體生長趨勢和ε-PL產(chǎn)量增加趨勢保持一致,并分別在120 h達(dá)到最大菌體量(42.43和52.40 g/L)以及在144 h達(dá)到最高ε-PL產(chǎn)量(39.22和45.09 g/L)。由此可以看出,過表達(dá)pls基因不僅能夠提高ε-PL產(chǎn)量(增加15.0%)而且能夠提高菌體量(增加23.5%)。與未流加5.0 g/LL-賴氨酸+濃度1.0 mmol/L ATP的發(fā)酵結(jié)果(圖2)相比,復(fù)合流加L-賴氨酸和ATP將S.albulusM-Z18-pIB139的ε-PL產(chǎn)量提高了4.4%而菌體量降低了11.0%;將S.albulusM-Z18/pIB139-pls的ε-PL產(chǎn)量和菌體量提高了11.0%和2.3%,表明流加L-賴氨酸和ATP對對照菌株的ε-PL產(chǎn)量提升幾乎沒有貢獻(xiàn),反而會降低菌體量;而對過表達(dá)pls基因的工程菌的ε-PL產(chǎn)量和菌體量均有提升作用。綜合來看,通過過表達(dá)pls基因和流加5.0 g/LL-賴氨酸+1.0 mmol/L ATP,可以將ε-PL產(chǎn)量從35.57 g/L提高到45.09 g/L,增加了20.8%;并將菌體量從47.66 g/L提高到52.40 g/L,增加了9.9%。從以上結(jié)果看,外源添加L-賴氨酸和ATP能部分提高pls過表達(dá)菌株的ε-PL產(chǎn)量,而對空載菌沒有明顯作用,這在一定程度上驗證了由于前體物質(zhì)缺乏導(dǎo)致pls過表達(dá)菌株產(chǎn)量提高不明顯的猜想,而提高的程度沒有達(dá)到轉(zhuǎn)錄水平的16.8倍,同樣可以證明猜想1和2的可能性,這部分還需要進(jìn)一步的實驗證明。
在發(fā)酵過程中,空載菌和pls過表達(dá)菌株出現(xiàn)異于原始菌株的過程菌體量顯著上升又逐漸下降的情況。過程菌體量上升可能是由于包含強啟動子PermE*的pIB-139質(zhì)粒整合到S.albulusM-Z18基因組上多個attB位點時造成了某些代謝通量的增強,XU等[15]使用pSET152(pIB139同源質(zhì)粒)在S.albulusPD-1中過表達(dá)amtB基因時,空載菌和amtB過表達(dá)菌株發(fā)酵過程菌體量都出現(xiàn)一定程度的提高。有趣的是,2株工程菌在發(fā)酵120 h后菌體量又迅速下跌,可能的原因是此時發(fā)酵已進(jìn)入衰亡期,大量的菌體老化,同時在50 mg/L安普霉素作用下迅速凋亡,新生菌體生成速度小于菌體老化死亡速度,造成菌體總量的下降。
ε-PL在包括食品、化妝品和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,通過分子生物學(xué)手段改造生產(chǎn)菌,以進(jìn)一步提高其發(fā)酵產(chǎn)量和降低生產(chǎn)成本具有重要意義。本研究通過過表達(dá)ε-PL合成酶基因pls構(gòu)建過表達(dá)菌株S.albulusM-Z18/pIB139-pls,實現(xiàn)pls基因轉(zhuǎn)錄上調(diào)16.8倍,搖瓶ε-PL產(chǎn)量達(dá)到(2.74±0.23) g/L,在5 L發(fā)酵罐中實現(xiàn)ε-PL產(chǎn)量達(dá)到40.62 g/L(144 h)。為進(jìn)一步提高過表達(dá)菌株的生產(chǎn)能力,通過優(yōu)化L-賴氨酸和ATP外源添加濃度,最終建立S.albulusM-Z18/pIB139-pls在5 L發(fā)酵罐中同時流加5.0 g/LL-賴氨酸和1.0 mmol/L ATP的補料分批發(fā)酵方式,實現(xiàn)ε-PL產(chǎn)量達(dá)到45.09 g/L(144 h),較對照菌株S.albulusM-Z18/pIB139提高了20.8%??梢?,采用過表達(dá)pls基因并結(jié)合補充前體L-賴氨酸和能量輔因子ATP是一種有效提高ε-PL發(fā)酵水平的策略。