郭 建,黃思瑤,鄭 鵬,陳葉福,郭學(xué)武,肖冬光
(工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點實驗室,天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院,天津 300457)
普魯蘭多糖是由出芽短梗霉合成的一種胞外多糖,它由麥芽三糖以α-(1→6)糖苷鍵反復(fù)連接而成[1].特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)賦予普魯蘭多糖優(yōu)良的性質(zhì),它黏度大、水溶性極強(qiáng),在化工、食品、醫(yī)藥等行業(yè)應(yīng)用廣泛.普魯蘭多糖可作為增稠劑,也能用于生產(chǎn)可被微生物降解的薄膜,還可作為低卡路里食品直接食用[2].
普魯蘭多糖的合成是一個復(fù)雜過程.磷酸葡萄糖變位酶、葡萄糖焦磷酸化酶、葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶可能是普魯蘭多糖合成過程中的關(guān)鍵酶[1].Li等[3]過表達(dá)葡萄糖焦磷酸化酶基因后發(fā)現(xiàn),普魯蘭多糖產(chǎn)量提升了1.3倍.Chen等[4]驗證了幾個葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶基因的功能,發(fā)現(xiàn)其中1個葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶基因?qū)ζ蒸斕m多糖產(chǎn)量有促進(jìn)作用.以上實驗結(jié)果同推測的普魯蘭多糖合成途徑相互印證.除了上述關(guān)鍵酶外,糖脂中間體 lipid-G對多糖的合成也至關(guān)重要[5].糖脂中間體 lipid-G是由脂類物質(zhì)與尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)結(jié)合而成的[5].已有的文獻(xiàn)[3-4]報道都是從增加 UDPG含量的角度來增強(qiáng)普魯蘭多糖的合成,并未考慮脂類物質(zhì)對糖脂中間體lipid-G的影響.
載脂蛋白(apolipoprotein)對脂類物質(zhì)的合成和運輸均有較大影響[5-6],脂類物質(zhì)對于糖脂中間體的形成至關(guān)重要.脂類物質(zhì)含量的增加能夠促進(jìn)糖脂中間體的形成,作為普魯蘭多糖合成的基本單元,足量的糖脂中間體無疑會促進(jìn)普魯蘭多糖的合成.出芽短梗霉所產(chǎn)脂類物質(zhì)的主要成分為重油[1],但是重油在普魯蘭多糖合成中的作用還未見報道,由此可以推測其可能參與糖脂中間體 lipid-G的合成.基于以上認(rèn)識,本研究以出芽短梗霉(A.pullulans)CBS110374菌株為研究對象,通過敲除和整合過表達(dá),考察了出芽短梗霉載脂蛋白基因 apo和 gltP對普魯蘭多糖及重油合成的影響,這有助于深入認(rèn)識普魯蘭多糖合成過程.
出芽短梗霉(A.pullulans)CBS110374購自荷蘭CBS菌種保藏中心,所用工程菌株 OA21、OG5、Δapo和ΔgltP為本實驗構(gòu)建.
DNA 聚合酶、dNTP,Takara公司;D9515崩潰酶、L4025消解酶、Trizma堿,Sigma公司;潮霉素B,上海索寶生物科技有限公司;山梨醇,上海邁瑞爾化學(xué)技術(shù)有限公司;甲醇,天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠;無水乙醇,天津市申泰化學(xué)試劑有限公司.
YEPD培養(yǎng)基(g/L):蛋白胨20,酵母粉10,葡萄糖 20,固體培養(yǎng)基中加入瓊脂粉 15,121℃滅菌20min.
HCS培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖 10,酵母浸粉 3,牛肉粉 1,蛋白胨 10,麥芽粉 3,固體培養(yǎng)基中加入瓊脂粉 15,pH 5.7,115℃滅菌 20min.HCS培養(yǎng)基雙層培養(yǎng)基的下層 HCS培養(yǎng)基添加終質(zhì)量濃度為50mg/L的潮霉素,上層HCS培養(yǎng)基不添加潮霉素.
種子培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖 20,硫酸鎂 0.4,酵母粉 1.2,硫酸銨 1.0,NaCl 4,K2HPO44,pH 6.0,115℃滅菌20min.
發(fā)酵培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖 50,硫酸鎂 0.2,酵母粉 0.8,硫酸銨 0.8,NaCl 2,K2HPO46,pH 6.5,115℃滅菌20min.
種子培養(yǎng)條件為 28℃、200r/min培養(yǎng) 24h,發(fā)酵培養(yǎng)條件為28℃、220r/min培養(yǎng)7d.
重組菌株的構(gòu)建采用同源重組依賴型 DNA裝配方法[7],過表達(dá)gltP基因的菌株的構(gòu)建過程參考文獻(xiàn)[7].所用引物(表1)由金維智生物技術(shù)有限公司合成,下劃線表示片段間重疊的堿基.
表1 引物Tab. 1 Primers
續(xù) 表
同源重組依賴型 DNA裝配方法為相鄰片段引物設(shè)計方法,在 rDNA 基因(Genbank NO.AY139394.1)位點整合過表達(dá)apo或gltP基因,如圖1所示.前期研究[7]發(fā)現(xiàn)出芽短梗霉擁有高效的同源重組修復(fù)機(jī)制,基于這種機(jī)制在設(shè)計引物時于引物末端加入同源序列,然后將待整合片段導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi),即可在細(xì)胞內(nèi)完成片段連接并整合到設(shè)計好的位點.
圖1 同源重組依賴型 DNA裝配方法引物設(shè)計原則及整合過表達(dá)apo或gltP示意圖Fig. 1 Principles of homologous recombination dependent DNA assembly method and the schema of integrating overexpression of apo or gltP
1.3.1 轉(zhuǎn)化片段準(zhǔn)備
在rDNA位點過表達(dá)apo基因(JGI protein ID:84794)需要 6個片段,即 HPT片段、rDNAU片段和rDNAD片段,PGKP5(磷酸甘油酸激酶基因啟動子)用引物 PGKPF/PGKP5R擴(kuò)增,apo片段(apo基因)用引物 apoU/apoD 擴(kuò)增,PGKt5(磷酸甘油酸激酶基因終止子)用引物PGK5tF/PGKtR擴(kuò)增.敲除apo基因需要 3個片段,apo基因上同源臂用引物ApoUs/ApoUa擴(kuò)增,apo基因下同源臂用引物ApoDs/ApoDa擴(kuò)增,潮霉素抗性基因用引物HPT3s/HPT3a擴(kuò)增.
敲除 gltP基因需要 3個片段,gltP基因上同源臂用引物 gltPU1s/gltPU1a擴(kuò)增,gltP基因下同源臂用引物 gltPD1s/gltPD1a擴(kuò)增,潮霉素抗性基因用引物HPT4s/HPT4a擴(kuò)增.
1.3.2 出芽短梗霉轉(zhuǎn)化
出芽短梗霉采用電轉(zhuǎn)化方法:取1環(huán)出芽短梗霉接種于5mL的YEPD試管中,28℃、200r/min培養(yǎng)24h;取 2mL菌液接種于裝液量為 50mL YEPD的250mL 三角瓶中,28℃、200r/min培養(yǎng) 24h;2mL菌液移至 2mL滅菌離心管,4℃、12000r/min離心2min,收集菌體,可重復(fù)多次以獲得足量菌體;用1mol/L山梨醇溶液將菌體重懸,4℃、12000r/min離心2min,收集菌體;加入1mL 溶液Ⅰ(1mol/L山梨醇和 50mmol/L檸檬酸鈉混合液,pH 5.8)將菌體重懸,并加入適量的 D9515崩潰酶和 L4025消解酶(703U/mg)處理細(xì)胞,28℃、100r/min酶解 10min后迅速拿出,4℃、2500r/min離心 10min,收集菌體;菌體用 2mL溶液Ⅰ重懸,4℃、2500r/min離心10min,棄上清液,重復(fù)1次;菌體用2mL 1mol/L山梨醇溶液重懸,4℃、2500r/min離心 10min,棄上清液,重復(fù) 1次;菌體用100μL 1mol/L山梨醇溶液混勻,并加入預(yù)冷的待轉(zhuǎn)片段,冰浴放置 10min;將混合液加入已經(jīng)預(yù)冷好的電轉(zhuǎn)杯中,冰浴放置 10min;1500V、200? 條件下進(jìn)行電轉(zhuǎn),電轉(zhuǎn)完畢后將菌體用1mol/L山梨醇溶液洗出,30℃培養(yǎng)箱中修復(fù)培養(yǎng)2~4h;修復(fù)培養(yǎng)后將全部菌體涂布于 HCS雙層平板(初篩平板)中,30℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng) 2~3d即可見轉(zhuǎn)化子;將初篩平板長出的單菌落點板到 YEPD潮霉素抗性平板(復(fù)篩平板)上,30℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng) 2d即可見轉(zhuǎn)化子.
取 10mL菌液,12000r/min離心 2min,棄上清液;菌體用純凈水洗滌2次,12000r/min離心2min,棄上清液;所得菌體用純凈水懸浮后,轉(zhuǎn)入干凈的平皿中,70℃烘干至質(zhì)量恒定,計算出芽短梗霉的生物量.
采用高效液相色譜法測定發(fā)酵液中葡萄糖含量:色譜柱為 Aglient HPX-87H(300×7.8mm),檢測器為示差檢測器(RID),檢測器溫度55℃,柱溫65℃,流動相為5mmol/L硫酸溶液,流量0.6mL/min,進(jìn)樣量10μL.
取 10mL菌液,12000r/min離心 2min取上清液 5mL,加入 2倍體積的無水乙醇,4℃放置 12h,5000r/min離心 8min去上清液;沉淀出來的多糖再用無水乙醇清洗2次;70℃烘箱烘干至質(zhì)量恒定,計算多糖產(chǎn)量.
依據(jù) McCleary等[8]的方法測定葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶活力.將適當(dāng)稀釋的待測樣本(0.2mL)與預(yù)均衡的對硝基苯基α-D-吡喃葡萄糖苷(0.2mL,10mmol/L)置于 0.1mol/L乙酸鈉緩沖液(pH 4.0)中,40℃處理5min.通過加入 Trizma堿(3.0mL,2.0%)的水溶液終止反應(yīng),測量 410nm 處的吸光度.酶活力用對硝基苯酚釋放量(μmol/L)表示,并通過參考標(biāo)準(zhǔn)曲線計算(通過用不同濃度的對硝基苯酚測量溶液的A410值來測定標(biāo)準(zhǔn)曲線).使用在 100℃加熱 5min的樣本和反應(yīng)液的混合物作為對照.
根據(jù) Dutra等[9]的方法測定 UDPG焦磷酸化酶活力.酶活力單位定義為在測定條件下在1min內(nèi)催化 1.0μmol/L底物轉(zhuǎn)化的酶量.使用在 100℃加熱5min的樣本和反應(yīng)液的混合物作為對照.
根據(jù)Qian等[10]的方法測定磷酸葡萄糖變位酶活力.酶活力單位定義為在測定條件下在1min內(nèi)催化1.0μmol/L底物轉(zhuǎn)化的酶量.使用在 100℃加熱5min的無細(xì)胞提取物的混合物作為對照.
取 20mL發(fā)酵液,加入等體積的氯仿-甲醇混合液(1∶1),在 50mL離心管中來回顛倒混勻;然后將混合液在4℃、12000r/min離心10min,將上清液倒入分液漏斗,待分層后將下層含有重油的液體分出;將含有重油的液體經(jīng)氮吹儀氮吹,去除有機(jī)溶劑;得到的重油用氯仿-甲醇溶液再反復(fù)處理 2次,用以純化重油;重油烘干至質(zhì)量恒定,計算重油含量.
普魯蘭多糖的結(jié)構(gòu)采用傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行分析.將 10mg樣品與 250mg溴化鉀混合均勻,用制片機(jī)在高壓條件下制成薄片,儀器掃描波長范圍為400~4000cm-1.
mRNA水平的測定方法參見文獻(xiàn)[7].測定 apo基因用引物 APOs/APOa,測定 gltP基因用引物gltPa/gltPs.
通過 NCBI查詢到出芽短梗霉包含兩個載脂蛋白基因 apo和 gltP,分別構(gòu)建了整合過表達(dá) apo或gltP基因的菌株 OA21和 OG5,以及單敲 apo或者gltP基因的菌株 Δapo和 ΔgltP.重組菌株的生長情況和葡萄糖利用能力如圖 2所示.敲除 apo或 gltP后,菌株生長受到抑制,生物量分別較親本株減少了10.85%和16.84%,而整合過表達(dá)apo或gltP對生物量沒有顯著影響.敲除 apo或 gltP降低了菌株對葡萄糖的利用能力,發(fā)酵 7d消耗的葡萄糖分別較親本株減少了 4.5%和 13.3%,而整合過表達(dá) apo或 gltP增強(qiáng)了菌株的葡萄糖利用能力,發(fā)酵 6d后整合過表達(dá)apo或gltP基因的菌株已經(jīng)將葡萄糖消耗殆盡.
圖2 重組菌株生物量和葡萄糖利用能力同親本株的比較Fig. 2 Comparison of the cell growth and glucose utilization ability
為了考察載脂蛋白基因apo和gltP與普魯蘭多糖合成的關(guān)系,對所得重組菌株的普魯蘭多糖合成能力進(jìn)行了測定,如圖3所示.整合過表達(dá)apo或gltP后,普魯蘭多糖產(chǎn)量分別較親本株增加了 7.78%和15.23%.敲除apo或gltP抑制了普魯蘭多糖的合成,普魯蘭多糖產(chǎn)量分別較親本株降低了 21.35%和35.07%.由此可知,相較于 apo基因,gltP基因?qū)τ谄蒸斕m多糖的合成更為重要.
為了深入探究apo和gltP與普魯蘭多糖合成的關(guān)系,對普魯蘭多糖合成途徑中的3個關(guān)鍵酶的酶活力進(jìn)行了測定,結(jié)果見表 2.由表 2可知:整合過表達(dá) apo后,磷酸葡萄糖變位酶活力、UDPG焦磷酸化酶活力和葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶活力分別較親本株增加了18.52%、16.60%和 15.79%.整合過表達(dá) gltP后,磷酸葡萄糖變位酶活力、UDPG焦磷酸化酶活力和葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶活力分別較親本株增加了 25.93%、30.23%和 36.84%.敲除apo或gltP后,磷酸葡萄糖變位酶活力、UDPG焦磷酸化酶活力和葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶活力均出現(xiàn)不同程度的降低.
圖3 apo和gltP對普魯蘭多糖合成的影響Fig. 3 Effect of apo and gltP genes on the synthesis of pullulan
表2 重組菌株普魯蘭多糖合成途徑關(guān)鍵酶活力Tab. 2 Enzyme activity of the key enzymes in the pullulan synthesis pathway
載脂蛋白與脂類物質(zhì)的合成密切相關(guān).出芽短梗霉所產(chǎn)脂類的主要成分為重油[1].為了考察載脂蛋白基因 apo和 gltP與脂類物質(zhì)合成之間的關(guān)系,選取重油作為脂類物質(zhì)的代表進(jìn)行研究.出芽短梗霉分泌的重油是一種脂類物質(zhì),在醫(yī)藥、化工等行業(yè)有巨大的應(yīng)用前景,apo和gltP對以重油為代表的脂類物質(zhì)合成的影響如圖4所示.由圖4可知:整合過表達(dá) apo或 gltP后,重油產(chǎn)量分別較親本株增加了41.38%和3.5倍.敲除apo或gltP抑制了脂類物質(zhì)的合成,重油產(chǎn)量分別較親本株降低了 17.24%和28.74%.這些結(jié)果表明,apo和gltP都能影響出芽短梗霉對重油的合成,但是gltP基因的影響更顯著.
圖4 apo和gltP對重油合成的影響Fig. 4 Effect of apo and gltP genes on the synthesis of heavy oil
采用傅里葉紅外光譜儀對重組菌株所產(chǎn)普魯蘭多糖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鑒定,并同普魯蘭多糖標(biāo)品進(jìn)行比對,結(jié)果如圖 5所示.由圖 5可知:所有樣品均在755cm-1和 915cm-1處有吸收峰,這些特征峰證實了α-(1→4)和α-(1→6)糖苷鍵的存在,而這個鍵型結(jié)構(gòu)是構(gòu)成普魯蘭多糖最基本的結(jié)構(gòu).同普魯蘭多糖標(biāo)品的紅外光譜圖比對發(fā)現(xiàn),所有重組菌株與標(biāo)品結(jié)構(gòu)基本一致,確認(rèn)了所產(chǎn)胞外多糖為普魯蘭多糖.
圖5 重組菌株所產(chǎn)普魯蘭多糖與普魯蘭多糖標(biāo)品紅外光譜的比對Fig. 5 Comparison of the IR spectra of pullulan produced by the recombinant strains with that of the standard pullulan
對敲除或整合過表達(dá) apo,以及敲除或整合過表達(dá) gltP基因的菌株所對應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄水平進(jìn)行了檢測,見圖 6.從圖 6中可知,敲除 apo或 gltP基因后apo或 gltP基因轉(zhuǎn)錄幾乎檢測不到,進(jìn)一步證實了apo或gltP基因已經(jīng)被敲除.整合過表達(dá)apo或gltP則顯著增強(qiáng)了對應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄水平,OA21菌株的apo轉(zhuǎn)錄水平較原始菌株增加了4.1倍,OG5菌株的gltP轉(zhuǎn)錄水平較原始菌株增加了3.9倍.
圖6 重組菌株對應(yīng)基因轉(zhuǎn)錄水平與親本株的比較Fig. 6 Comparison of the transcription levels of the recombinant strains with parent strains
普魯蘭多糖理化性能獨特,在食品、化工、醫(yī)藥等行業(yè)應(yīng)用廣泛[1].經(jīng)文獻(xiàn)匯總,本文繪制普魯蘭多糖合成途徑(圖7).
圖7 普魯蘭多糖合成途徑Fig. 7 The proposed pullulan synthesis pathway
已有的文獻(xiàn)報道部分印證了該合成途徑,葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶、磷酸葡萄糖變位酶、UDPG焦磷酸化酶和普魯蘭合酶被認(rèn)為是普魯蘭多糖合成途徑中的關(guān)鍵酶[1,3-4].除了上述關(guān)鍵酶外,脂類物質(zhì)也同普魯蘭多糖合成密不可分.脂類物質(zhì)與 UDPG的結(jié)合形成普魯蘭多糖合成的基本單元lipid-G[5],而這是普魯蘭多糖合成所必須的.載脂蛋白負(fù)責(zé)調(diào)控脂類物質(zhì)的生物合成[6],那么載脂蛋白勢必會影響普魯蘭多糖的合成.多位研究者[5-6,11]也認(rèn)為胞外多糖的合成與脂類物質(zhì)緊密相關(guān).
為了確認(rèn)脂類物質(zhì)是否參與普魯蘭多糖的合成過程,本文考察了載脂蛋白基因 apo和 gltP對普魯蘭多糖合成的影響.載脂蛋白基因 apo和 gltP能夠影響出芽短梗霉生長性能和葡萄糖利用能力.a(chǎn)po或者 gltP的敲除抑制了菌株的生長,這可能是由載脂蛋白對胞內(nèi)多種細(xì)胞器膜的調(diào)控引起的[12].敲除apo或者 gltP后菌株葡萄糖利用能力降低,這是由較慢的菌株生長和生成產(chǎn)物的減少引起的(圖3和圖4).
載脂蛋白能調(diào)節(jié)脂類物質(zhì)的合成和運輸[13].本文研究結(jié)果表明整合過表達(dá)apo或者gltP能夠促進(jìn)以重油為代表的脂類物質(zhì)和普魯蘭多糖的合成,而敲除 apo或者 gltP則抑制了重油和普魯蘭多糖的生成.由此可知,適量增強(qiáng)出芽短梗霉脂類物質(zhì)的合成有助于提高普魯蘭多糖產(chǎn)量,這與 Sutherland[11]和Simon等[6]的推測是相符合的.Price等[14]的研究表明,過度強(qiáng)化出芽短梗霉脂類物質(zhì)的合成不利于普魯蘭多糖合成.研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn),雖然apo和gltP能夠調(diào)控普魯蘭多糖的產(chǎn)量,但是并不引起普魯蘭多糖結(jié)構(gòu)的改變.
通過測定重組菌株普魯蘭多糖合成途徑中關(guān)鍵酶的酶活力,發(fā)現(xiàn)整合過表達(dá) apo或者 gltP能夠促進(jìn)葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶、磷酸葡萄糖變位酶和 UDPG焦磷酸化酶的活力,而敲除 apo或者 gltP則降低了 3個關(guān)鍵酶的活性.葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶、磷酸葡萄糖變位酶和 UDPG焦磷酸化酶對普魯蘭多糖合成至關(guān)重要[1,3-4],這3個關(guān)鍵酶活力的改變能直接影響普魯蘭多糖的合成.
重油是普魯蘭多糖所產(chǎn)脂類物質(zhì)的主要成分.研究結(jié)果顯示普魯蘭多糖產(chǎn)量和重油產(chǎn)量呈正相關(guān),這預(yù)示著重油可能參與普魯蘭多糖合成所需基本單元糖脂中間體 lipid-G的生成.但是,并非重油合成能力越強(qiáng)普魯蘭多糖合成能力越強(qiáng),比如 Price等[14]就發(fā)現(xiàn)過度強(qiáng)化的重油合成能力能夠抑制普魯蘭多糖的生成.
apo和 gltP對出芽短梗霉普魯蘭多糖合成的調(diào)節(jié)作用可以從以下幾點來解釋.第一,apo和 gltP調(diào)控脂類物質(zhì)的合成,進(jìn)而影響普魯蘭多糖合成所需基本單元糖脂中間體 lipid-G的生成,最終改變普魯蘭多糖合成.第二,apo和 gltP表達(dá)量的改變引起了脂類物質(zhì)含量的改變,某些脂類物質(zhì)作為反式作用因子強(qiáng)化了 UDPG 的合成[15],導(dǎo)致普魯蘭多糖合成途徑中關(guān)鍵酶活力性的增加.第三,出芽短梗霉重油是一種表面活性劑[16],重油合成的增強(qiáng)有助于改善出芽短梗霉細(xì)胞膜通透性[17],有利于普魯蘭多糖的外泌.
綜上,本文研究結(jié)果表明載脂蛋白基因 apo和gltP能夠調(diào)節(jié)出芽短梗霉普魯蘭多糖的合成,并且gltP對普魯蘭多糖合成的影響大于 apo.gltP和 apo都負(fù)責(zé)介導(dǎo)脂類物質(zhì)的轉(zhuǎn)運,但 gltP主要負(fù)責(zé)脂類物質(zhì)向胞外轉(zhuǎn)運[7],而 apo負(fù)責(zé)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運[18],不同的分工導(dǎo)致了這兩個基因?qū)τ谥愇镔|(zhì)合成的作用相區(qū)別.
本文研究結(jié)果顯示,整合過表達(dá) apo或 gltP能使普魯蘭多糖產(chǎn)量分別增加 7.78%和 15.23%,而分別敲除apo或gltP則使普魯蘭多糖產(chǎn)量降低21.35%和 35.07%;證實了脂類物質(zhì)和普魯蘭多糖合成緊密相關(guān),豐富和完善了普魯蘭多糖合成途徑,為增加普魯蘭多糖合成基本單元糖脂中間體lipid-G的來源提供了新的思路.