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米根霉生产平台化学品的代谢工程
摘要
米根霉属于接合菌的丝状真菌。它能够持久的产生平台化学品L -( +) - 乳酸, 延胡索酸和乙醇。在糖酵解过程中, 所有可发酵的碳源被代谢为丙酮酸并随后分布到形成这些产品的途径中。这些平台的形式化学品的生产, 在一个广泛的碳源范围内, 是高收率的。L - ( +) - 乳酸和乙醇的理论产率超过85％, 延胡索酸的在65％以上。参与生产这些化合物代谢途径的研究和优化, 需要发达的代谢工程技术和这个有机体基因构成的知识。本文着重介绍了当前米根霉的代谢工程技术及其主要发酵产物代谢途径的应用。
关键字
米根霉、 代谢工程、 代谢途径、 转化、 外源基因表示
介绍
估计在未来的几十年里, 煤炭, 石油和天然气等化石资源耗尽或不能大量使用。当前不断增加的成本,产油地区的地缘政治不稳定,可持续发展问题都导致了这个问题。发展替代能源取代化石资源的原料, 这样就形成了强烈的契机。已经出现地热、 水、 风、 太阳能、 核能形式的能源发电。唯一可行的替代运输燃料和平台形式的化学物质的生成, 是生物质产品。借助微生物的发酵过程, 生物质能够转换成生物质燃料和平台化学品。为了能够与工艺基础上的石油化工原料竞争, 这些微生物应该表现出较高的产品产量( 克每克) , 生产力( 克每升每小时) , 和产品的效价( 克每升) 。其它的先决条件是能够使用许多碳源,抵抗生物质预处理释放的发酵抑制剂,能够在没有复杂的生长因子中生长等。
米根霉是一种能够在高含量的生物质衍生糖中生产乙醇, L-( +) - 乳酸, 延胡索酸的真菌。这些发酵产物的市场大, 表明了这种微生物生产平台化学潜能。在 , 全球生产的乙醇为17.25十亿公升, 而且到 增加的量超过740亿升。到2020年, 这个市场预计将增加超过1250亿升。全球市场的L - ( +) -乳酸在 超过100,000吨, , 预计将增加259000吨。L-( +) - 乳酸, 当前主要用作食品或饲料酸化剂, 但它也能够被用于在快速市场中的的可再生塑料, 溶剂, 或含氧化合物和动物饲料。延胡索酸的市场规模较小, 但 估计量仍有90,000吨。这个市场也有望在未来几年内增加。延胡索酸当前在食品工业中直接作为pH调节剂, 防腐剂, 增香剂使用。由于它的结构, 它可作聚酯和醇酸树脂的产物离子。除了这些平台化学品, 米根霉也可用于各种各样商业有关酶的生产。Ghosh和Ray最近都在生物技术工艺中应用米根霉。
代谢工程技的使用, 使米根霉产物的形成得到优化, 经过同源基因过度表示, 或淘汰现有相互竞争的途径, 使异源基因引入化学品的生产。本文综述了国家当前最先进的分子生物学技术用于米根霉通路工程以及如何用它们来研究和提高其主发酵产品的产量。
米根霉有机体
米根霉是丝状真菌, 是接合菌纲的毛霉菌目。根霉属的黑根霉的描述在1820年首次建立, 以形成发酵产物而闻名, 如乙醇, L-( +) - 乳酸, 延胡索酸, 以及在一定程度的L-( +) -苹果酸。曲霉菌, 镰刀菌, 和青霉是有生产延胡索酸的能力。米根霉在亚洲常见于食品发酵, 生产酒精饮料, 鸭脚稗, 或豆豉, 一般视为安全菌株。尽管如此, 米根霉也可能成为人类病原体, 毛霉真菌病感染后具有较高的患病率。大多数毛霉菌感染病例有潜在的疾病, 如血清铁水平升高, 外伤, 或免疫系统削弱。
米根霉是在自然界普遍存在, 而且发现也存在在腐烂的有机材料上。它能够在各种各样的碳源上生长, 例如, 甘油, 乙醇, 乳酸, 葡萄糖, 甘露糖, 果糖, 蔗糖, 木糖, 纤维二糖, 脂肪酸, 和油。所有提及的糖都证明是L -( +) -乳酸或延胡索酸生产离子的一种底物。另外, 米根霉具有分解淀粉, 木聚糖, 果胶, 纤维素的能力, 能够转化农业残留物中的聚合物。它能够在很宽的温度范围内( 不超过40℃) 和pH值范围内( 从4至9) 生长良好, 这表明了它的强大性能和广泛适应潜力。
米根霉生产的化学物质
第一个提及米根霉有产生有机酸的能力是在Saito19 用华根霉生产乳酸和Ehlich用黑曲霉主要生产延胡索酸及乳酸, 琥珀酸, 和苹果酸的报道中。Takahashi和她的同事的研究表明, 还有其它的产品形成, 如乙醇。Ward等人, 利用米根霉在葡萄糖中生产L - ( +) - 乳酸, 最终产率为0.62克/克。从那时起, 米根霉已被广泛的用于生产有机酸, 乙醇, 酶, 和其它市售产品。最近Ghosh和Ray做了这些研究。
正如前面提到的, 米根霉能够高效地生产发酵终产物。有氧呼吸L-( +) - 乳酸生产的最大理论产率是2摩尔的L - ( +) - 乳酸每摩尔的D-葡萄糖的消耗, 即1.0克L - ( +) - 乳酸每克D-葡萄糖。延胡索酸的最大理论产率是2摩尔延胡索酸每摩尔的D-葡萄糖的消耗, 即1.3克延胡索酸每克D-葡萄糖。L-( +) -乳酸的最高产量为0.88克/克, 延胡索酸的最高产量是0.86克/克, 主要副产物为乙醇。这些还表明米根霉能够抵抗高浓度产物和超过100克/升D-葡萄糖的浓度的能力。理论产率是2摩尔的乙醇每摩尔D-葡萄糖的消耗( 0.51克/克D-葡萄糖) 。当米根霉生长在D-葡萄糖中时, 得到产率接近这个最大收率。表1列出了米根霉生产乙醇的一些实验数据。当前利用D-葡萄糖用于乙醇生产的微生物是酿酒酵母。用于乙醇生产的野生型酿酒酵母的主要缺点是不能利用半纤维素水解物中的戊糖。米根霉能够在许多碳源上生长, 如5碳糖, 而且生长要求低。另外, 它是能够耐受存在于木质纤维素生物质的酸水解物中的抑制剂, 并有直接利用纤维素和半纤维素进行缓慢生长的能力。
米根霉的遗传多样性
在D-葡萄糖上生长时, 米根霉可根据主要产生的有机酸分为两种类型。其中一组主要产生L-( +) - 乳酸, 而另一组是主要的发酵产物是延胡索酸和L-( +) - 苹果酸。对乳酸脱氢酶( LDH) 的编码基因和蛋白质进行分析, 获得一些信息。测定米根霉NRRL395有两种NAD-依赖同工酶( LDHA和LDHB) 。在生长过程中有可发酵碳源如D-葡萄糖, D-木糖, 海藻糖的存在的时候LDHA编码基因被表示。与此相反, 有不可发酵碳源如乙醇, 甘油, 乳酸的时候LDHB编码基因的表示。Saito等人发现了L-( +) - 乳酸生产与编码基因之间的关系。产L-( +) - 乳酸菌株含有LDHA和LDHB时候被分为I型菌株。延胡索酸和L - ( +) - 苹果酸生产菌株只含有LDHB被分为II型菌株。从两种不同类型的各种基因和标记序列分析后, 确定它们的系统发育不同。在这些结果的基础, 提出了对产延胡索酸和L-( +) - 苹果酸为主的菌株重新分类, 如代氏根霉。这是第一个属于II型菌株根霉的名字。 拟议重新分类的II型菌株代氏根霉不是广泛应用。因此, 代氏霉菌仍被称为米根霉。
基因组分析
, 米根霉99-880( II型株) 的基因组出版了。这对这一领域的研究做出了巨大的贡献, 对分子技术有了新的看法。该菌株是第一个被作为接合菌世系测序的有机体。它在Ma等人分析出的基因复制中十分重要。 99-880米根霉的基因组是45.3 Mbp大小, 包括20％的转座子。总共对13,895个蛋白编码基因进行了预测, 没有转座子重叠。对重复基因对和她们共同的进化序列分析后, 得出的结论是发生共同祖先的全基因组复制事件。与新基因复制结合导致两到十倍增加基因家族相关的病原体毒力,特殊真菌细胞壁合成和信号转导。全基因组复制允许在多元化的不利条件下生长。这可能包括宿主的免疫防御反应, 并能解释在感染毛霉菌病中米根霉菌的高患病率。由于全基因组的重复, 通路经过基因敲除或沉默策略进行修改遇到相当大的困难。
属于毛霉目的真菌的转化
当前有几种毛霉目生物体转化系统的研制, 包括的灰绿犁头霉, 卷枝毛霉, 米黑毛霉, 布拉克须霉, 雪白根霉和微小根毛霉。在一般情况下, 毛霉目异源基因表示的关键是DNA重组导入和复制机制的影响。经过转化引入的DNA将保持额外染色体和自主复制, 因为它不要求特定的复制起点。因此, 转化一般表现出分裂不稳定型。这些质粒的中除了自主复制, 还将形成高分子量的级联结构。这些结构将基因组DNA迁移, 从而导致整合的不正确。为了增加在米根霉整合的可能性, 同源区域的质粒在改造中引入双链断裂( DSB) 。这使发生整合增加到20%,剩下的仍含有质粒连接。据推测, 级联质粒是整合到基因组中的重新连接之前的结果。这种能够重新连接的修复机制被称为非同源末端连( NHEJ) 。发生NHEJ时, 只有少数几个的同源碱基对空闲。当两端的同源性越大, 占主导地位的修复方法是单链退火( SSA) 。对DNA修复的深入研究, 我们采取帕尔多等人的研究。选择针对已经在载体选择标记区进行移码突变的NHEJ, 与一个已经在基因组的选择标记区发生突变的受体菌株结合。生长只有当质粒由一个单一的同源交叉到基因组中整合时才恢复, 这会导致一个功能的选择标记和一个包含突变的拷贝。改造后这个载体, 转化测试显示只有8％的是原养型。转化体的其余部分仍含有级联质粒。当对所涉及的基因序列进行了分析时, 它是载体上的非功能性拷贝的修复, 而不是基因组拷贝。据推测, 这是由于非交叉机制如打破诱导复制或依赖合成链退火。另一项研究可, 能是在NHEJ中加强双链断裂修复对DNA断裂的影响。在这个实验中, 载体酶切成一个个含有单一位点的悬浮物添加到无细胞提取物中, 温育30分钟后, 观察载体的二聚物, 三聚物和降解产物。温育到1.5小时延伸, 会使二聚体和三聚体的减少了及高分子量的结构的出现。基于载体中包含的5'或3'突出对孢子进行改造, 在恢复原养型生长, 观察到无明显差异。在同一研究中, 一个载体,选择整合到基因组中。此载体含有一个被截断的pyrG选择标记物, 含有该5'端一半的基因。受体菌株已经包含在选择标记的基因组复制3'端一半处的一个点突变。可行的转化只能够经过基因组发生整合的方式获得。所有的转化体生成于选择标记的截断, 进行载体整合和经常出现多拷贝插入的测试。截断载体转化效率与非截断载体的相比低20倍, 这很可能是选择单一整合引起的。
米根霉的代谢工程技术
有几种方法已被应用于改变米根霉的基因组及其转录中。这些方法基于引入外源DNA或随机突变。
米根霉的随机诱变
随机突变对破坏基因的功能或提高生产力的代谢过程是一种强有力的方式。在米根霉中能够经过化学诱变来完成。例如利用N-甲基-N'-硝基-N-亚硝基胍产生营养缺陷型突变体, 或用硫酸二乙酯增加L-( +) - 乳酸的产量。随机诱变能够经过紫外辐射, 钴-60的γ射线, 或由低能离子注入产生。这种技术的缺点是会形成多个基因突变。同时需要花费很长时间用于检查和筛选。要用有效的筛选方法筛选出所需的突变体, 如利用黄等人创造的筛选方法筛选高产酸突变体。
本研究使用紫外辐射诱变米根霉孢子, 并根据酸化的琼脂平板上PH指示剂颜色的变化进行筛选。
异源DNA转化
除了前面所述的随机诱变, 另一种改变基因组的方法是异源DNA的导入, 近年来有关米根霉的( 异源性) 基因表示的研究进展很快, , 而且描述了三个转化系统。其中一个系统是基于微生物根癌农杆菌DNA转移。
农杆菌能够将将其DNA的一部分即转移DNA( T-DNA) 转移到了受体中去, 对于异源表示来说, T-DNA是改变的目的基因。重组后, T-DNA整合到染色体上。Michielse等人证明了基因重组的原理。
米根霉有一种乳清酸核苷-5'-磷酸脱羧酶的pyrG基因突变体, 这是由于T-DNA插入引起的。使用原生质体作为起始原料, 可产生转化体, 但不能是孢子或萌芽孢子。总之, 所有的有丝分裂在非选择性条件下稳定时, 分离出8个转化子。经过进一步的分析, 发现两个转化子发生基因重组。这种重组不引入额外的DNA, 不能恢复pyrG基因组的的复制功能。余下的6个转化子, 基因组中pyrG复制整合。有趣的是, 在6个转化子的DNA引入整合轨迹表示整合在同一点。在基因组中检测到没有DNA载体连接的T-DNA或另外连接的基因。这个系统中目的基因不表示, 因此, 虽然基因重组了, 但异源基因不表示。这可能是合成的毒力蛋白因子包裹DNA并阻止重组发生。
描述DNA转移的另一种方法出现在土壤杆菌的系统研究中, .在这种方法中, 从菌丝体中产生原生质体, 并经过CaCl2/PEG的方法进行DNA载体的转化。本研究采用直线形或圆形的DNA载体以增加重组的概率。在农杆菌系统相比, 其产生的表型不稳定, 而且DNA载体依然保持独立和能自主复制。
第三个介绍DNA的系统是粒子轰击DNA传递系统。粒子轰击系统首次用来介绍植物细胞中的DNA。它是当前国内在米根霉中唯一成功用于异源基因表示的系统。在这个系统中, 使用包被有钨粒子的DNA载体转化孢子。对于米根霉, 它首先被用来判断NRRL395米根霉的尿嘧啶营养缺陷型菌株中导入的DNA的命运。尿嘧啶营养缺陷型经过引入同一菌株的pyrG拷贝功能的载体来进行补充。
多年来, 这个系统进一步完善来表示同源基因如LDHA。其次是绿色荧光蛋白( GFP) 的表示作为异源基因表示的证明。 , 来源于米根霉99-880II型菌株的尿嘧啶营养缺陷型与I型菌株ldhA基因发生转化。在这株功能实现异源基因表示与藻青素合成酶编码基因( CPHA) 从蓝藻的目标产生蓝藻米根霉。在这个菌株中, 功能性异源基因经过与源于蓝藻的合成酶编码基因( CPHA) 结合进行表示, 达到从米根霉中生产藻青素的目标。藻青素具有独特的结构, 可作绿色化学品的产品。另外, 米根霉中表示了黑曲霉的木聚糖酶编码基因( 木聚糖酶) 。
从GFP得到的载体的表示包含源于磷酸激酶1( PGK1) , 丙酮酸脱羧酶( PDCA) , 糖化酶( amyA) 的三个不同的启动子元件。在这些启动子元素中, PDCA启动子给了最强的信号, 并被选定为所有表示启动子元素的现代构造描述。
分析GFP表示转化体是, 发现当荧光信号是存在于一个连字符, 它没有集中在一个特定的细胞器或菌丝顶端, 而是均匀地分布。这些转化转录分析后, 得出的结论是, 转录水平和GFP的堆积有明确的相关性。有趣的是, 该基因的拷贝数没有显着影响蛋白的积累。
基因剔除
经过导入基因生产新的酶, 接着DNA也被引进来建立基因淘汰。随着双交换事件, 基因被淘汰, 因此, 能够研究代谢途径中基因功能或效果的特定损失。当前, 米根霉中详细描述双交叉事件成功的的唯一的例子是高亲和力铁通透酶编码基因( FTR1) 。此基因宿主感染过程中在米根霉中强烈表示, 体现了FTR1在米根霉的致病性中的作用。为了研究FTR1的作用, 来自99-880米根霉的营养缺陷型突变体成功形成了双交换同源重组的基因敲除。在所产生的转化体中, FTR1编码基因在非选择性条件下未检测到。然而, 选择压力下, 推定的FTR1无效突变体的表型效应丢失, 再次检测到FTR1编码基因。选择性条件下, 米根霉的多核性质胜过了ftr1无效突变体的表现型。经过连续14个以上的孢子形成和在非选择性条件下单菌落接种, 经过PCR分析未检测到该基因。然而, 在选择性培养基中生长48小时内, 该基因被再次经过PCR进行扩增。据推测, ftr1编码基因可能必须存在于贫铁培养基中, 因此, 不可能得到其无效突变体。
另外, 在本文中, 在这个菌株中有可能获得咪唑甘油磷酸脱氢酶( HIS3) 无效突变体, 虽然这些数据没有公布。
RNA干扰
另一种降低基因表示的优良方法是RNA干扰( RNAi) 。RNA干扰是一种新近发现的双链RNA触发核糖核酸( mRNA) 信使的同源序列降解的机制。其结果是, 减少或取消相应的蛋白质的翻译。RNA干扰机制, 几种蛋白质是必须的: 一个dicer酶, Argonaut蛋白, 以及依赖RNA的RNA聚合酶( RdRP的) 。内切酶把双链RNA切割成双链的短干扰RNA( RNA干扰) 。argonaut蛋白随后与干扰RNA片段结合, 并保留单链RNA。argonaut蛋白复合物识别mRNA的同源序列, 从而使mRNA不能翻译成蛋白质.RdRP 识别切割的mRNA链, 这将产生更多的siRNA, 从而引起严重的回应。对于真菌, 经过发夹RNA形成高效稳定的RNA干扰。另外, 合成的siRNA相继出现会引发的RNAi的回应。有人预测, 基于99-880米曲霉菌株的基因组序列, 含有两个Argonaut蛋白拷贝, 一个dicer酶, 和五个RdRP的编码基因。在同一研究中, 研究高亲和力铁通透编码基因( FTR1) 的作用, 并利用RNA干扰沉默基因及研究其作用。ftr1基因经过间隔元件保持分开的正义和反义( 450个基点) 产生的一个结构。 转录后的构建, 启动RNAi的过程形成一个发夹结构( hpRNA) 。沉默基因用该方法取得成功, 并用此构造产生的转化体的铁的吸收减少了大约50％。另外, 对小鼠的致病性大大降低。将转化体用于感染小鼠, 并重新从死于感染的小鼠和健康小鼠中分离出来。发现感染的死小鼠中的转化体已经失去了RNAi载体, 但在健康人群中, 载体依然存在。
类似于hpRNA干扰, siRNAs的成功的用于LDHA基因和LDHB 基因的沉默。这些基因的沉默, 以减少了丙酮酸流向L-( +) -乳酸, 从而提高了乙醇形成。因此, 在LDHA编码基因区域中设计了合成siRNA, 它与LDHB 基因有高度的序列相似性。siRNAs有25个核苷酸长, 用于改造米根霉CCUG28958产生的原生质体。总共隔离出6个组合式转化体并在含有30g / L的D-葡萄糖的培养基中生长。组合式转化体的平均L-( +) -乳酸产量为0.01克/克D-葡萄糖, 这表示与亲本株0.07克/克的产率相比减少了86％。乙醇产量从0.39至0.45克/克平均增加15％。组合之后, 甘油, 琥珀酸盐, 和丙酮酸盐的产率增加而生物量生产减少。 siRNA基因沉默的效果是短暂的, 因此不适合用于工业过程。这两项研究的结果表明, RNAi能够有效地用于基因表示的下调。
最后, 它是能够经过随机诱变和转基因改变米根霉菌株的基因组。异源基因表示的关键是难以获得基因组整合的DNA载体 。另外, 有多种营养缺陷型标记条件的缺乏和显性选择标记。因此, 需要进一步的研究米根霉的利用的潜力, 来进行平台化学品的生产。
主发酵产品的途径
米根霉中主要发酵产物途径由丙酮酸彼此连接。在米根霉, 所有发酵的碳源都代谢成丙酮酸。丙酮酸随后进入一些途径, 如负责发酵终产物的形成途径。这个结点被命名为丙酮酸的分支点。培养基中溶解氧影响丙酮酸分支点的流向。( 微) 厌氧条件下, 碳源反应生成的乙醇, 而在有氧条件下, 过量的碳源时, 流向有机酸的形成。这种现象在使用含70g/L的D-葡萄糖的旋转纤维床反应器的研究中清楚得到证实。最高的乙醇产率( 理论产率的37％) 是在20％的溶解氧( DO) 的条件下得到的。后增加至25％和50％, 乙醇理论产率下降到26％和15％。这些结果也演示了含有70g/L的D-葡萄糖搅拌釜式生物反应器的使用。在低的转速条件下乙醇的最高产率超过理论产率的50％。搅拌或增加曝气量后的产量还会下降。
乙醇发酵途径允许在缺氧的情况下, 短时间内生长。有机酸的生产认为是高糖浓度的溢出机制的结果, 因为细胞到环境样本中不会遇到这些高浓度。
乙醇生成途径
在丙酮酸脱羧酶( PDC) 和乙醇脱氢酶( ADH) 的联合作用下, 催化丙酮酸生成乙醇。NRRL395米根霉, 检测到两个PDC-编码基因, 在非发酵碳源甘油的存在下这是不表示的, 但加入D-葡萄糖后, 很容易表示。另外, 缺氧条件下增加了这些基因的转录水平。在厌氧和好氧条件下比较PDC的活性, 在厌氧条件下, 酶的活性强大约3倍。虽然在PDC活性和编码基因得到一些认识, 可是ADH酶的性子和编码基因也做些工作。 与NRRL395米根霉在厌氧条件下生长相比, 有氧条件下ADH活性高约7倍。
另外, II型菌株似乎比I型株产生更多的乙醇。这可能是L-( +) - 乳酸形成途径缺陷的原因。在发酵过程中, 碳源被代谢为丙酮酸。丙酮酸库分布在许多途径中。能够假设当一个途径是不存在的, 可对剩余的途径提供更多丙酮酸, 因此在富含碳的环境中增加乙醇量的形成。
L-( +) - 乳酸途径
在有氧条件下, 发酵的主要产物是有机酸, 可能由于PDC和ADH的基因的表示的下调。L-( +) - 乳酸是一个单一酶步骤产生的, 由NAD+ - 依赖型L乳酸脱氢酶催化丙酮酸产生的。在基因枪法转化系统的帮助下, 可能进一步的了解产生l-( +) - 乳酸背后的分子机制。在II型菌株99-880米根霉衍生的营养缺陷型突变体中引入I型菌株NRRL395米根霉的LDHA编码基因。生成的转化体将25％以上的初始D-葡萄糖转换L-( +) - 乳酸的, 而受体菌株不产生任何L-( +) - 乳酸。L--( +) - 乳酸生产的这种增加被耦合到延胡索酸和乙醇生物量形成的减少, 从而使丙酮酸流定向从丙酮酸分支点的其它产品走向L-( +) - 乳酸。为了进一步研究L-( +) - 乳酸形成的分子机制, 供体和受体菌株的LDHB编码基因在大肠杆菌中表示。酶解分析, 两个纯化LDHB蛋白质的演示发现NADH是利用丙酮酸生成L-( +) - 乳酸的辅酶。然而, 未转化的II型菌株不能产生任何L-( +) - 乳酸。据推测, 不能进行L-( +) - 乳酸生产是严紧的转录调控所造成。Northern印迹分析, 没有检测到LDHB转录, 更敏感的RT-PCR方法才能检测到基因转录。转录量非常低可能是导致为什么一些II型菌株能够产生少量的L-( +) - 乳酸的原因。
延胡索酸和l-( +) - 苹果酸的产生途径
从丙酮酸分支点起始的其它发酵产物是延胡索酸和1 - ( +) - 苹果酸。这些有机酸生产主要经过位于细胞质中的还原性三羧酸( TCA) 循环。 这一途径的第一个酶是分布在细胞质中的丙酮酸羧化酶( PYC) 。在真核生物中, 这种酶是一般只出现在线粒体中。PYC是生物素依赖酶并将丙酮酸羧化成草酰乙酸。为了充分将丙酮酸转换升-( +) - 苹果酸和延胡索酸, 位于细胞质中的其它两个酶也是必须的。苹果酸脱氢酶( MDH) 将草酰乙酸转换成L-( +) - 苹果酸, 并在延胡索酸酶( FUM) 的作用下水合( 可逆) 成延胡索酸。延胡索酸随后运输穿过细胞膜。
研究米根霉中延胡索酸的生产中所涉及的酶, 最好是FUM酶。据弗里德伯格等在Northern杂交和引物延伸分析的基础上推测, 米根霉有一个基因编码FUM酶。然而, 位于细胞质和线粒体中的酶的反应动力学是不同的。酶动的反应力学的不同可能是由于区室的不同条件或翻译后的修饰。这在真核生物中是常见的, 如大鼠中胞浆和线粒体酶来源于同一基因。然而, Goldberg等人建认为, 在细胞质和线粒体中有两个基因编码FUM酶。为了确定哪个假设是正确, 克隆了NRRL1526米根霉DNA基因组中延胡索酸酶基因, 它产生一个单一的转录物。产生的抗血清防止酿酒酵母中FUM酶部分中和米根霉的无细胞提取物中酶的活性。为了确定是否不同延胡索酸酶是出现在不同的生长阶段, 测定生长阶段和产酸阶段的菌丝体的无细胞提取物中酶的活性。生长阶段菌丝FUM的K m为0.78毫摩尔的延胡索酸, 2.9毫摩尔L的L-( +) -苹果酸。延胡索酸的存在不抑制延胡索酸酶的活性。然而2毫摩尔L-1的延胡索酸的存在完全阻断产酸菌丝体中的FUM酶活性。作者表示, 这可能是在产酸条件诱导产生一个独特FUM酶。这种酶将产生延胡索酸, 而且逆反应完全阻断延胡索酸量的增加。作者曾试图获得这种独特的FUM酶, 它的半衰期是2小时。由弗里德伯格等克隆的基因没有进一步的特征。当在新鲜的培养基中接种生长前期生物时, 观察到延胡索酸生产在酸性条件中延迟, 表明存在两个不同的基因。为了进一步阐明延胡索酸酶的假说, Song等人克隆了ATCC20344米根霉的FUM酶的编码基因序列。基因在大肠杆菌中表示并分析相应酶。得出的结论是FUM-编码基因负责生产延胡索酸。L-( +) - 苹果酸的K m为0.46毫米, 当延胡索酸浓度超过2毫米时阻止延胡索酸反应生成L-( +) - 苹果酸。这些与Battat, Pines, and Goldberg等人未发表的结果是相同的。Song等人同时比较fumR序列并确定它们在N末端的15个氨基酸的氨基酸序列的异常是相同。该氨基酸序列的存在可能是负责酶的固定和酶的活性。然而, 作者认为, 需要额外的测试, 以确定这个假设是否是正确的。
Goldberg和宋Song 等人认为米根霉生产的特殊延胡索酸是由FUM酶在高浓度延胡索酸中不可逆的催化反应所造成的。然而, L -( -) - 苹果酸转化成延胡索酸的ΔG0是3.6千焦/摩尔表明, 在平衡状态下, L - ( +) - 苹果酸的浓度高于延胡索酸浓度。这表明, 米根霉生产延胡索酸过程中, 对延胡索酸具有高选择性的二羧酸转运蛋白也起着重要的作用。
米根霉生长在发酵罐中在低的pH值( 3.0) 时, 细胞本身的延胡索酸产率比较高的pH值( 5.0) 时低。这能够解释为增加能量需求, 以保持内部的pH值, 从而导致更多的葡萄糖转化为CO2和少量的延胡索酸。
结论及未来前景
随着平台化学品需求的增加, 原材料成本的增加, 以及可持续发展的要求不断增长的需求, 需要高效的生物催化剂。这些生物催化剂部分是靠丝状真菌米根霉来生产。这种微生物能够生产乙醇, L-( +) - 乳酸和延胡索酸, 而且具有生产延胡索酸能力的基因部分来自于其它真菌属。这些平台化学品的生产上在各种各样的碳源上收率都高, L-( +) - 乳酸和乙醇的理论产率超过85％及延胡索酸的理论产率超过65％。在细胞中, 所有的代谢终产物具有一个共同的丙酮酸池, 而且这些产品的形成途径是已知的。现在, 代谢工程技术能够进一步提高产量。这些技术包括RNA干扰, 随机诱变, 基因敲除策略。另外, 它是当前可能引入异源基因, 从而引起新产品的形成, 最终引入到全部途径中。为了实现多个基因的引进, 应当研究主体和多种营养缺陷型的选择标记。应该联合其它的研究, 以获得引入细胞中DNA命运的进一步了解, 尽管它很少整合到基因组中。
虽然能够改变基因组, 并引入异源DNA, 可是米根霉的基因组本身也形成了一个有趣的酶源。例如引进酿酒酵母中的FUMR编码基因生产延胡索酸, LDHA在酿酒酵母中表示生产乳酸, 米根霉的脂肪酶在毕赤酵母和酿酒酵母中表示。米根霉这种微生物是一种多用途的生物体, 已经被广泛运用。预计, 由于上述原因, 这将继续增加。
致谢
这个项目是由SenterNovem公司( 荷兰乌得勒支) 提供赞助( EOSLT02034) 。
利益冲突
作者宣称, 她们没有利益冲突。
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