甘油脱氢酶

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3 2 1
弗托氏葡糖杆 菌甘油脱氢酶 基因的克隆及 表达。
甘油脱氢酶 的分离纯化 及其酶学性 质研究。
利用基因工 程菌进行全 细胞催化生 产DHA工艺 条件研究。
技术路线:
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三. 实验创新点及难点
实验创新之处
one
two
three
four
本实验首 次研究了 Kla对发 酵生产 DHA的影 响。
132.0
6.4 13.95 82.81 60.39
Βιβλιοθήκη Baidu
94%
12.8% 34.8% 92% 60.39%
Gluconobacter sphaericus
CICC 10357
27.94
27.94%
• 本实验室筛选菌种,Gluconobacter frateurii HD 924 • 保存于北京中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物保 藏中心, 保藏号CGMCC 5397 • 已授权中国发明专利,专利号:ZL 2011 10388519.8
费托氏葡萄糖酸杆菌为 专性好氧微生物,通过有氧 呼吸获取能量,在催化甘油 生成二羟丙酮的反应时以 氧气为电子受体。因此,发 酵过程中,氧气的供应直接 影响着菌体的最终生物量 及代谢产物的最终浓度。 本实验通过使用挡板摇 瓶和提高发酵罐的体积、 罐压、搅拌速度来提高发 酵过程中的Kla,提高甘油 左:挡板摇瓶 右:非挡板摇瓶 的转化效率,提高DHA的 产量。
1.5研究意义
随着石油价格高涨且波动频繁,从而引发石油危机. 燃料乙醇 和生物柴油的出现在一定程度上缓解部分危机。在生物柴油生 产的过程中,会产生大量含粗甘油的副产物,每生产10 kg的生 物柴油,约得到1 kg的含甘油的副产物。 国内利用DHA 作为化工原料和医药中间体,后续开发的产品种 类很多, 而且这些产品的市场容量也很大。目前国内对DHA 的 需求量已超过1000 t/a,预计随着生产成本的降低, 其需求量 将进一步扩大。 目前甘油的市场价格为4000~5000元/吨(医药食品级价格在 8000~10000元/吨),二羟基丙酮市场价格为10~13万左右。而 微生物法生产DHA转化率高达90%以上,因而采用生物法生产 DHA利润巨大,具有极高的经济效益。
生物法生产 DHA的主要 原料是废甘 油,对于化 学工业可持 续发展和推 进循环经济 意义重大。
本实验为国 内外首次对 弗托氏葡糖 杆菌的甘油 脱氢酶基因 进行克隆和 表达,具有 创新意义。
对甘油脱氢酶 的酶学性质研 究,为利用基 因工程菌生物 催化生产二羟 丙酮的工业化 应用打下良好 的基础。
实验难点
DHA产量 (g/l) 33.95 53.25 73.85 81.25
DHA产率 (g/l/h) 1.31 1.56 1.76 1.28
0.68±0.02 0.71±0.01 0.74±0.01 0.65±0.01
75
150
0.004±0.001
0.57±0.01
85.20
1.18
挡板摇瓶里不同甘油浓度对费托氏葡糖杆菌的生长 和DHA产量的影响
用于保湿防晒化妆品
B
用于二羟基丙 酮衍生物的合 成
A
C
DHA用途
D
医用:用于治 疗白斑、白癜 风、抗鸡瘟病 毒
促进猪瘦肉的 增长
E
抗肥胖作用
1.3DHA生产方法
化学合法法 固定化法 发酵法 发酵法具有可 利用廉价原料 直接生产DHA 的优点,但是 发酵生产周期 长,工艺管理 要求严格。
化学法生产效 率低,成本高 ,环境污染严 重,底物利用 率低
Gluconobacter oxydans GUR186
Acinetobacter sp. 6-8 Pichia membranifaciens ZJB0009 Gluconobacter oxydans GM51 Gluconobacter oxydans
张小飞(T)2006
徐美娟(J)2008 柳志强(J)2008 马立娟(T)2009 CGMCC 1.637
在甘油脱氢酶的克隆表达研究方面,国内外已经已经有了一些研 究。Gatgens 等利用强启动子tufB 和gdh 使G. oxydans 膜系脱氢酶 sldAB 基因过量表达,使微生物法生产DHA 的产量可以达到350 mmol/L,DHA 产量比普通菌提高了75%。除将G. oxydans 中甘油脱 氢酶过量表达以外,也有学者考虑利用基因重组技术在宿主菌中表达 异源甘油脱氢酶基因来提高DHA 的产率。华东理工大学的魏东芝等 人研究以沙门氏菌、克雷伯氏菌、醋酸杆菌、志贺氏菌、大肠杆菌或 氧化葡萄糖杆菌基因组DNA 为模板,PCR 扩增获得编码甘油脱氢酶 基因gdh 和编码NADH 脱氢酶基因ndh,利用PET系列表达载体分别 构建基因工程质粒pET-gdh 和pET-ndh,并将其分别或共同转入大肠 杆菌中,利用该重组菌代谢甘油生产DHA,提高了DHA 的产率。
目前,研究Kla对发酵生产DHA的影响还 未见报道,而且Kla系数的测定也存在一定 难度。利用基因工程菌过量表达甘油脱氢 酶尚未有成功报道,本项目拟利用本课题 组前期筛选出来的高活性甘油脱氢酶菌株 弗托氏葡糖杆菌构建基因工程菌,将填补 该项技术空白,具有非常重要的理论意义。
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四. 实验进度
2013.9~2014.1弗托氏葡糖杆菌甘油脱氢酶基 因的克隆 2014.2~2014.5基因工程菌的构建及酶的诱导 表达,挡板摇瓶产量测定。 2014.5 ~2014.9甘油脱氢酶的分离纯化及其酶 学性质研究
本课题拟从基因工程育种的角度出发,以本实验室筛选出 来的专利菌种弗托氏葡糖杆菌染色体DNA为模板,扩增编 码甘油脱水酶基因,构建含甘油脱氢酶基因的重组大肠杆 菌,将其插入到大肠杆菌表达载体进行诱导表达,并研究 其酶学性质及全细胞催化工艺条件,为下一步利用微生物 酶法转化甘油为二羟丙酮打下良好的基础。主要包括以下 内容:
以生物柴油甘油为底物生产DHA的菌株的产 量优化及甘油脱氢酶酶学性质研究
姓名:郑小娟 指导老师:刘宇鹏
1
实验背景及意义
2 3 4 5
实验内容及目标 实验创新点与难点 实验进程安排 实验前期进展
一、研究背景及意义
1.1 DHA概述
二羟基丙酮或1,3-二羟基丙酮,英文名为1,3-dihydroxyacetone , 简写为DHA,是最简单的三碳酮糖,外观是白色或类白色粉末状结晶,具 有甜、凉的味道,易吸湿并分解。一般状态下是二聚体(1,4-Dioxane) 的结晶。
1氧的传质速率Kla的提高对DHA产量的影响
发酵液中的溶氧浓度对微生物的生长和产物形成有着 重要的影响。研究溶氧对发酵的影响及控制对提高生产效 率,改善产品质量等都有重要意义。氧的传质速率KLa是 是发酵过程中溶解氧水平的重要参考水平。 控制KLa的途径可分为操作变量、反应液的理化性质 和反应器的结构3个部分。操作变量包括温度、压力,通 风量和转速(搅拌功率)等,发酵液的理化性质包括发酵液 的黏度、表面张力、氧的溶解度、发酵液的组成成分、发 酵液的流动状态、发酵类型镣反应器的结构指反应器的类 型、反应器各部分尺寸的比例、空气分布器的形式等。当 然有些因素是相互关联的。
产率分析
孙玲艳 等 Ma等 Hekmat等 2.10gL-1h-1
2.29gL-1h-1 2.80gL-1h-1
张小飞等
冯屏等
3.00gL-1h-1
8.97 gL-1h-1
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二、实验内容及目标
DHA产量 的提高
氧的传质速 率Kla的提 高对DHA产 量的影响
甘油脱氢酶在费 托氏葡萄糖酸杆 菌细胞内过量表 达对二轻丙酮产 量的影响
固定化法包含固定 化细胞和固定化酶 ,其优点是固定化 细胞能重复使用, 酶活力高,转化效 率高,后期分离提 取简单。但前期固 定化繁琐。
1.4用来生产二羟基丙酮的微生物资源
菌株 ZX12 Bacuilus licheniformin B05571 来源 郑裕国(J)2001 郑裕国(P)2006 较佳工艺下产 甘油转化率 量(g/L) 16.0 68.0 16% 85%
非挡板摇瓶里不同甘油浓度对费托氏葡糖杆菌的生 长和DHA产量的影响
时间(h) 26 34 42 63 总甘油量 (g/l) 50 75 100 125 比生长速率 (μmax/h) 0.022±0.001 0.017±0.002 0.011±0.001 0.006±0.001 转化率
(Yx/s,g/g)
AAAAGAGCTCCGCCGGCCTTACCTTCTCGCAAC AACCAAGCTTTTACTGCTTGATGGCATCCGGCAGT GCCAGAATTCCCAAATCTTCAAGGTAATAGG AACCAAGCTTTTAGACGGCTCCTCTGAGAGTA 包含启动子的合并引物 CATAAGCTTGGCGTTTACGATGGTGC CTAGGTACCGTGAACGAAAACAGCCTG
2甘油脱氢酶在费托氏葡萄糖酸杆菌细胞内过量表 达对二羟丙酮产量的影响
甘油脱氢酶(GDH)是生物催化甘油生产二羟丙 酮的关键酶,该酶能够使甘油分子结构上的仲位羟基 进行脱氢反应生成DHA。在弗托氏葡萄糖酸杆菌中, 甘油脱氢酶是催化甘油生成二轻基丙酮的关键酶,该 酶为膜结合酶,包括大小两亚基,分子量分别为 79.4kDa和13.7kDa。甘油脱氢酶以PQQ为辅基,催 化反应时以氧气为最终电子受体而无需NADH参与, 是一种需氧反应最近的研究发现,甘油脱氢酶具有广 泛的底物谱,同时也是催化阿拉伯醇、山梨醇和葡萄 糖酸生成相应酮糖的关键酶。近年来,随着分子生物 学的发展使得构建出DHA 产生途径中的甘油脱氢酶过 量表达的基因工程菌成为一种可能。
时间(h) 10 12 16 总甘油量 (g/l) 50 75 100 比生长速率 (μmax/h) 0.063±0.001 0.052±0.001 0.041±0.002 转化率 DHA产量 (Yx/s,g/g) (g/l) 0.76±0.01 0.79±0.01 0.81±0.01 38.05 59.25 82.01 DHA产率 (g/l/h) 3.81 4.93 4.99
25
38
125
150
0.027±0.001
0.013±0.001
0.85±0.02
0.87±0.01
106.25
131.16
4.25
3.45
5.2 甘油脱氢酶基因的克隆
根据GeneBank上甘油脱氢酶的基因序列设计两组引物
大亚基和小亚基分别设计引物
Large-SacI-s Large-HindIII-a Small-EcorI-s Small-HindIII-a
DHA分子中含有3个官能团( 2个羟基、1个羰基),化学性质活泼 。
1.2 DHA用途
化妆品领域 人工美黑、保湿、防晒和防紫外线辐射的作用。 医药领域 治疗白癫风、预防保护混合型卟啉病、DHA对氰化物中毒具有解毒效 果、抑制寄生虫、抗鸡瘟病毒 化工领域 化学性质活泼,能参与聚合、缩合等化学反应,做为中间体在合成 医药和农药方面具有重要作用。 食品领域 DHA被用作保健和功能性食品添加剂、风味添加剂、食品果蔬的保 鲜剂等。 其他用途:瘦肉型饲料添加剂、皮革制品的保护剂。
2014.10 ~2014.12基因工程菌甘油脱氢酶的全 细胞转化工艺条件研究,7.5L、30L发酵罐产 量测定。
2015.1 ~ 撰写论文
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五.实验已完成工作
5.1 Kla对发酵产量的影响
非挡板摇瓶与挡板摇瓶底物甘油浓度分别为50g/l、 75g/l、100 g/l、 125 g/l、 150 g/l,每瓶的装液量 为50ml。 在发酵过程中,每2个小时从每个摇瓶中取1ml的 样品,测定样品的OD,并测定样品中甘油残余, 直至摇瓶中的甘油残余低于1g/l停止发酵。
1.6 国内外研究现状
国外在上世纪七十年代已经形成成熟的生物法生产DHA产业。当 前, DHA 的微生物发酵生产主要分布在美国、英国、德国和日本, 其 中约 50%的 DHA 用于生产化妆品。日本大赛璐化学工业公司以甘油 为原料采用发酵技术进行制备 DHA, 年产量达到 100 t。50%用于化 妆品领域。 在国内,由浙江工业大学郑裕国教授开发的微生物发酵产DHA经 过10年的发展现已在浙江海正药业股份有限公司完成 10 t 发酵罐规模 的生产性试验。 本实验室与浙江长兴制药厂合作生产DHA项目已经完成第一阶段生 产,目前正在进行年产1000 吨DHA扩产改造工作。
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