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以糖类利用能力变化选育红霉素高产菌株

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中国抗生素杂志2010年3月第35卷第3期 185 文章编号:1001・8689(2010)03—0185・04 以糖类利用能力变化选育红霉素高产菌株 徐旭张奇李直夏永 (中国医药集团总公司四川抗菌素工业研究所,成都610052) 摘要: 目的 根据代谢网络理论,利用可能对红霉素产生菌Saccharopolyspora erythraea ̄J代谢物流产生影响的糖类建立 理性化的筛选模型。方法 建立葡萄糖、果糖、乳糖等抑制性筛选模型和麦芽糖、木糖等利用性筛选模型。将诱变处理后的菌 株通过这些模型,找出利用率发生改变的菌株。结果 结果显示葡萄糖、麦芽糖模型的筛选效果较好,用此方法筛选出的菌株 Er071610.1比原始出发菌株增产53.7%。结论以糖类利用能力变化选育红霉素高产菌株是一条可行的筛选方法。 关键宇: 糖多孢红霉菌;红霉素高产菌株;糖类利用;筛选模型 中图分类号: R978.1+5 文献标识码: A Screening of high erythromycin-producing strains by the changes of carbohydrate utilization capacity Xu Xu,Zhang Qi,Li Zhi and XiaYong (Sichuan Industrial Institute ofAntibiotics,China National Pharmaceutical Group Corporation,Chengdu 610052) Abstract Obj ective According to the theory of metabolic network,set up rational screening models of carbohydrate which may affect Saccharopolyspora erythreaea’s lfux.Methods Utilizing screening models,including inhibitory types(glucose,fructose,lactose,et at)and used types(maltose,xylose,et口D,find out strains which changed carbohydrate utilization rate.Results The results showed that the glucose and maltose model are better than others. The productions of Er071610—1 which screened by this method are 53.7%higher than original strain.Conclusion Changed carbohydrate utilization capacity of strains is a good method to screening high erythromycin—producing strains. Key words Saccharopolyspora erythraea;High erythromycin—producing strain;Carbohydrate utilization; Screening model 代谢工程(metabolic engineering)通过DNA重组 改变代谢产物的产量[3】。本文利用上述理论,在红霉 技术改变或重构细胞固有的代谢途径flJz],为菌种改 素菌种选育中以糖类利用能力变化造成代谢物流变 造提供了一个新的方向,然而,其最终通过DNA重 化,建立理性化筛选模型,从而提高菌种生产能力 组技术对菌种的改造在应用上具有较大的局限性。 这一方面进行了尝试。 代谢网络理论是代谢工程研究的重要方面,它认为 1材料与方法 细胞的生化过程是一个由一系列的生化反应和代谢 1.1菌种 途径所构成的复杂网络系统,代谢产物的产量由代 糖多孢红霉菌(Saccharopolyspora erythreae) 谢网络当中的物流分配所决定,改变物流分配就会 Er41403,本所保藏。 收稿日期:2009—10.09 作者简介:徐旭,女,生于1984年,在读硕士研究生。从事微生物与生化药学研究。 通讯作者,E-mail:xiayong018@163.conl 1.2培养基与培养条件 斜面及分离培养基(%):淀粉1.0、玉米浆1.0、 (NH4)2SO4 0_3、NaCl 0-3、CaCO3 0.25、琼脂1.5, pH7.2。37 ̄C培养7—9d。 种子培养基(%):淀粉1、黄豆粉2、MgSO 0.05、FeSO4、CaCO3 0.3,pH7.0。30℃培养72 h, 摇瓶转速220 r/min。 发酵培养基(%):可溶性淀粉1、黄豆粉、 MgSO4 0.05、FeSO4 0.0015、CaCO3 0.3、豆油5,pH 7.2。接种量4%,32℃培养5d,摇瓶转速220 r/min。 发酵培养24h后加入总量为0.8%的正丙醇。 建模基础培养基(%):蔗糖6.9、KNO 1.0、 KH2PO4 0.27、MgSO4・7H2O 0.12、MnC12・4H2O 0.0062、CoCI2 0.0005、FeSO4・7H2O 0.025, pH6.4。32℃培养7—10d,摇瓶转速220 r/min。 模型分离培养基(%):模型培养基加入琼脂 1.5%。37 ̄C培养7—9d。 1.3孢子液制备 用20mL无菌水刮取茄瓶斜面孢子,用玻璃珠打 碎15min,棉花过滤,滤液于3000r/min离 tl,15min, 沉淀用无菌水洗涤2次,洗去残留培养基,沉淀用 20mL无菌水悬浮,得孢子液备用。 1.4理性化筛选模型的建立 根据相关文献报道,选用3个用于红霉素生物合 成研究的合成培养基A[ 、B[们、C 进行考察,并通 过优化获得建模所需的基础培养基。 根据包括初级代谢和红霉素生物合成途径在内 的代谢网络,利用不同浓度的各种糖类替代基础培 养基中的碳源,考查原始出发菌株在这些培养基中 的生长情况,将不能生长的作为筛选模型。 1.5筛选模型的考查 将经过诱变处理的孢子液种入筛选模型培养基 中培养,对生长起来的菌,利用模型分离培养基分 离菌株,测定发酵水平,评价模型的筛选效力。 1.6分析方法 红霉素效价的测定采用硫酸水解法【4】。 2结果与讨论 2.1筛选模型的建立 2.1.1 建模基础培养基的筛选及优化 取0.1mL孢子 液分别种入所选的3种待考查培养基中,32℃,220 r/min,培养4d,观察生长情况,结果见表1。 结果表明,孢子在C培养基生长很差,在B培 养基不生长,不能作为建模基础培养基;在A培 以糖类利用能力变化选育红霉素高产菌株徐旭等 养基生长良好,A培养基的成分为:蔗糖6.9%、 琥珀酸0.24%、KNO 3 1.0%、KH 2PO4 0.27%、 MgSO4・7H2O 0.12%、ZnC12 0.0104%、MnC12・ 4H 2O 0.0062%、CuC12・2H 2O 0.00053%、 CoCI2 0.00055%、FeSO4・7H2O 0.025%、CaCI2 0.01 3 8%、(NH4)6Mo 7O 24・4H2O 0.00003%, pH6.4。 从以上成分看出,A培养基使用了2种碳源且成 分复杂,还不能完全符合建模特别是糖类等碳源利 用能力建模的要求,故在A培养基的基础上设计了9 种培养基进行优化(见表2)。 在设计的9种优化培养基中,种入孢子均能生 长,最后选择使用唯一碳源且培养基成分相对简 单、生长良好的第6号作为建模基础培养基。 2.1.2 糖类利用模型的建立 选用l0种糖,分别以 1%、2%、3%、4%、5%的浓度替代基础培养基中的 蔗糖,接入孢子液培养,考查原始出发菌株对各类 糖的利用及在不同浓度下的生长情况,选用出发菌 株不能利用或高浓度下对菌株有抑制作用的糖类物 质作为筛选模型(见表3)。 结果表明,棉子糖、甘露糖、山梨醇在各种浓 度下都能够被很好的利用;葡萄糖、鼠李糖、果 糖、乳糖可以被利用,但在一定浓度下对菌的生长 具有抑制作用;麦芽糖、木糖、山梨糖完全不能被 利用。故选择葡萄糖、麦芽糖、鼠李糖、果糖、木 糖、乳糖、山梨糖,以种入孢子不能生长的最低浓 度作为筛选模型。其中葡萄糖、鼠李糖、果糖、乳 糖可归为抑制性筛选模型,麦芽糖、木糖、山梨糖 可归为利用性筛选模型。 2.2模型的考查 2.2.1 多层面诱变 根据多层面诱变育种方法【8], 选择3种诱变剂及不同的复合诱变条件,设计诱变方 案(见表4)。将原始出发菌株孢子液分成3份,分别用 表中3种诱变方法进行处理,然后混合3份处理后的 孢子液,取1/3保存,剩下的分再为3份,按上述方 法诱变方法进行处理,混合后保存1/2,剩下的1/2再 用同样方法进行处理,处理后的菌液与前2次处理后 表1原始出发菌株在各培养基中的生长情况 Tab.1 Growth situation of original strain in the culture mediums +:生长,+越多表示生长越多,/:不生长,-:未进行实验。 中国抗生素杂志2010年3月第35卷第3期 表2培养基的优化 Tab.2 Optimization of culture medium 6 9 蔗糖 琥珀酸 KNO 9 6 1 O 0 O O O 0 O O∞∞∞ ( O n O 4 2 5 5 8 KH2PO4 6 1 O O 0 O O O 0 O (O 0 MgSO4 ZnCl, MnC1, 9 . ” 4 2 5 5 ; 8 ∞∞ CuC1, COCl, FeSO4 CaC1 6 . 1 " 一 O 0 OO O O ∞∞ (O B 2 5 5 8 (NH ) Mo7O24 6 叶_卜+ 一. . ∞∞ O O 5 5; n O 8 生长情况 +++++++++ +:生长,+越多表示生长越多,/:不生长,.:未进行实验。 . 一 . 一 . 保存的菌液混合,取0.5mL稀释后涂布于分离培养 基进行培养,用于计算总致死率和模型评价的对照 组,剩余孢子液用于模型筛选。诱变的总致死率为 鲫 . 一 . . . . 98.23%。 ~ 2.2.3 菌株的筛选 经过筛选模型培养的菌液用碎 玻璃将菌丝打断,棉花过滤,稀释后涂布于相应模 型的分离培养基平板上进行培养,其中葡萄糖模型 ~ 平板、麦芽糖模型平板生长迅速(见图1);乳糖、木 糖、鼠李糖模型平板生长时间过长、培养基干枯, 难以挑菌。 . 2.2.2 菌株在模型中的生长情况 分别取0.ImL上 述诱变后的孢子液种入所选模型培养基进行培养, 其生长情况见表5。 呲 , . 一 伽 . . 一 ¨ 从对照平板、葡萄糖、麦芽糖模型分离平板上 经过17d的培养,在7个模型中葡萄糖、麦芽 糖模型生长较快,乳糖、木糖、鼠李糖模型生长较 慢,果糖、山梨糖模型则不生长。对于能够生长的 到相应的模型培养基中继续培养7.9d,进行分离。 . 分别随机挑取72个菌落到斜面上培养,然后进种子 和发酵培养基,测定其效价,将原始出发菌株的效 价设为100%,统计产量分布,结果见表6。 从上述结果可以看出,与对照组相比,用葡萄 糖模型筛选出正突变株的比例有显著增加并有产量 + 一 ∞  一 . 一 一 一 一 抖 斗 模型,为避免假阳性的出现,将生长出来的菌再转接 一一高于出发株50%的突变株出现、负突变株的比例显 表3原始出发菌株对各类糖的利用情况 Tab.3 Carbohydrate utilization of original strain l% 2% 3% 4% 5% 著降低;用麦芽糖模型筛选出正突变株的比例没有 增加、负突变株的比例明显降低。总的来说,这2个 模型都具有筛选效力,其中用葡萄糖模型筛选出的 表4诱变方案 Tab.4 Mutagenesis project 葡甍糖 + } }| f 麦芽糖 鼠李糖 j ++ 7 ++ } + } + } / 果糖 棉子糖 木糖 + +++ / / ++ / / ++ / / ++ / / ++ / 乳糖 甘露糖 山梨糖 山梨醇 ++ ++ / _L+++ ++ / +++/ + / +++ / + / +++/ + / +H +:生长,+越多表示生长越多,/:不生长,一:未进行实验。 萄糖芽糖李糖 糖糖糖梨 糖 H . 一 一 一 一 . 卅 + 一 一 一 . 一 抖 一 . . 一 . +:生长,+越多表示生长越多,/:不生长,一:未进行实验。 一 .  一 一一 a:对照平板;b:葡萄糖模型平板;C:麦芽糖模型平板 图1菌株在分离平板上的生长情况 F .1 Growth situationofthe strainintheflat Er071610.1菌株比原始出发菌株增产53.7%。 的代谢调节,能建立的筛选模型数量有限,且未考 3小结 虑代谢网络中其它途径流量对产物生物合成代谢流 从代谢网络层面来看,菌种改造就是改变代谢 量的影响,在高产菌的筛选上存在一定的局限。 物流的分布,使物流更多的流向产物的合成,进而 本文将细胞的代谢网络作为一个有机的整体, 达到提高产物产量,高产菌的筛选就是筛选到这样 以糖类利用能力变化可能引起代谢物流变化进行红 的优良菌株。产物自身耐受性、营养缺陷型、推理 霉素菌种的筛选,建立了糖类利用性和抑制性两类 选育等方法均属于这类筛选的手段,其中推理选育 筛选模型,从结果来看,这种方法取得了一定的效 应用最为广泛、效果最好,推理选育是根据微生物 果。本文仅对部分糖类物质做了考查,其它糖类还 代谢产物的生物合成途径和代谢调节机制的推测建 需进一步研究,而且由于有几个模型不生长或生长 立筛选模型获得提高所需产物生物合成代谢流的高 的不是很好,在平板上不易分离。因此,一方面还 产菌株,由于推理选育重点关注产物生物合成途径 需要对这些模型进行改进,另一方面调整诱变方 案,适当降低致死率。用本文的方法我们还建立了 表6产量分布 其它碳源、氮源、氨基酸、前体等与代谢网络有关 Tlab.6 Production distributing 的筛选模型,有关研究结果另文报道。 产量 120%以上10%一120%90%一1 10%80%一90%80%以下 参考文献 [1] Bailey J E.Towards a science ofmetabolic engineering[J]. 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