Biến đổi gen của Escherichia coli và tích hợp kiểm soát quy trình để giảm tích lũy acetate và tăng sản xuất ʟ-tryptophan

Annals of Microbiology - Tập 67 - Trang 567-576 - 2017
Na Lu1,2, Bin Zhang2,3, Likun Cheng2, Jinshui Wang3, Songlin Zhang2, Shijun Fu2, Yueqiang Xiao2, Hongyan Liu2,4
1School of Life Science, Baicheng Normal University, Baicheng, People’s Republic of China
2Shandong Binzhou Animal Science and Veterinary Medicine Academy, Binzhou, People’s Republic of China
3College of Biotechnology, Henan University of Technology, Zhengzhou, People’s Republic of China
4Binzhou Marine Environmental Monitoring Station of Shandong Province, Binzhou, People’s Republic of China

Tóm tắt

Acetate là một chuyển hóa ức chế chính trong các văn hóa của Escherichia coli, và việc sản xuất cả sinh khối và sản phẩm mong muốn đều tăng lên nhờ việc giảm sự tích lũy của acetate. Trong nghiên cứu này, sự tích lũy acetate trong quá trình sản xuất ʟ-tryptophan đã được giảm bằng cách biến đổi gen của chủng sản xuất ʟ-tryptophan (BCTRP) và tối ưu hóa quy trình lên men. Đột biến (BCTRPG), có sự thiếu hụt của men xuyên màng tích hợp IICBGlc (ptsG), sản xuất nồng độ ʟ-tryptophan cao hơn so với các đột biến có sự thiếu hụt của either phosphate acetyltransferase (pta) hoặc pta–ptsG, do sự tích lũy acetate và các sản phẩm phụ khác thấp, cũng như sản xuất sinh khối cao. Mức độ oxy hòa tan (DO) phù hợp, chế độ cung cấp glucose và chiến lược kiểm soát pH đã được áp dụng cho sản xuất ʟ-tryptophan bằng cách sử dụng đột biến BCTRPG. Chủng BCTRPG với điều kiện tối ưu đã dẫn đến giảm tích lũy acetate (giảm 71.08% xuống 0.72 g/L) và tăng sản xuất ʟ-tryptophan (tăng 35.81% lên 17.14 g/L) so với chủng BCTRP trong điều kiện văn hóa ban đầu. Trong khi đó, một phân tích về phân bố lưu lượng chuyển hóa đã chỉ ra rằng lưu lượng tổng hợp acetate giảm từ 19.2% (trong điều kiện ban đầu) xuống 8.4% (trong điều kiện tối ưu), và lưu lượng hình thành tryptophan với điều kiện tối ưu là 18.5%, cao gấp 1.89 lần so với trong điều kiện ban đầu. Nghiên cứu này đã cung cấp cơ sở lý thuyết và hỗ trợ kỹ thuật cho sản xuất ʟ-tryptophan ở cấp độ công nghiệp cao.

Từ khóa

#Escherichia coli #acetate #ʟ-tryptophan #biến đổi gen #tối ưu hóa quy trình #sản xuất sinh khối

Tài liệu tham khảo

Åkesson M, Hagander P, Axelsson JP (2001) Avoiding acetate accumulation in Escherichia coli cultures using feedback control of glucose feeding. Biotechnol Bioeng 73(3):223–230 Báez-Viveros JL, Flores N, Juárez K, Castillo-España P, Bolivar F, Gosset G (2007) Metabolic transcription analysis of engineered Escherichia coli strains that overproduce ʟ-phenylalanine. Microb Cell Factories 6:30. doi:10.1186/1475-2859-6-30 Bongaerts J, Krämer M, Müller U, Raeven L, Wubbolts M (2001) Metabolic engineering for microbial production of aromatic amino acids and derived compounds. Metab Eng 3(4):289–300 Castaño-Cerezo S, Pastor JM, Renilla S, Bernal V, Iborra JL, Cánovas M (2009) An insight into the role of phosphotransacetylase (pta) and the acetate/acetyl-CoA node in Escherichia coli. Microb Cell Factories 8:54. doi:10.1186/1475-2859-8-54 Chang DE, Shin S, Rhee JS, Pan JG (1999) Acetate metabolism in a pta mutant of Escherichia coli W3110: importance of maintaining acetyl coenzyme a flux for growth and survival. J Bacteriol 181(21):6656–6663 Cheng LK, Wang J, Xu QY, Xie XX, Zhang YJ, Zhao CG, Chen N (2012) Effect of feeding strategy on L-Tryptophan production by recombinant Escherichia coli. Ann Microbiol 62(4):1625–1634 Cheng LK, Wang J, Xu QY, Zhao CG, Shen ZQ, Xie XX, Chen N (2013) Strategy for pH control and pH feedback-controlled substrate feeding for high-level production of L-Tryptophan by Escherichia coli. World J Microbiol Biotechnol 29:883–890 Contiero J, Beatty CM, Kumari S, DeSanti CL, Strohl WR, Wolfe AJ (2000) Effects of mutations in acetate metabolism on high-cell-density growth of Escherichia coli. J Ind Microbiol Biotechnol 24(6):421–430 Datsenko KA, Wanner BL (2000) One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products. Proc Natl Acad Sci U S A 97(12):6640–6645 De Anda R, Lara AR, Hernández V, Hernández-Montalvo V, Gosset G, Bolívar F, Ramírez OT (2006) Replacement of the glucose phosphotransferase transport system by galactose permease reduces acetate accumulation and improves process performance of Escherichia coli for recombinant protein production without impairment of growth rate. Metabol Eng 8(3):281–290 Dittrich CR, Vadali RV, Bennett GN, San KY (2005) Redistribution of metabolic fluxes in the central aerobic metabolic pathway of E. coli mutant strains with deletion of the ackA–pta and poxB pathways for the synthesis of isoamyl acetate. Biotechnol Prog 21:627–631 Dodge TC, Gerstner JM (2002) Optimization of the glucose feed rate profile for the production of tryptophan from recombinant E. coli. J Chem Technol Biotechnol 77:1238–1245 Eiteman MA, Altman E (2006) Overcoming acetate in Escherichia coli recombinant protein fermentations. Trends Biotechnol 24(11):530–536 Gosset G (2005) Improvement of Escherichia coli production strains by modification of the phosphoenolpyruvate: sugar phosphotransferase system. Microb Cell Factories 4:14. doi:10.1186/1475-2859-4-14 Gu PF, Yang F, Kang JH, Wang Q, Qi QS (2012) One-step of tryptophan attenuator inactivation and promoter swapping to improve the production of L-Tryptophan in Escherichia coli. Microb Cell Factories 11:30 Huang J, Shi JM, Liu Q, Xu QY, Xie XX, Wen TY, Chen N (2011) Effects of gene pta disruption on L-Tryptophan fermentation. Acta Microbiol Sina 51(4):480–487 Ikeda M (2006) Towards bacterial strains overproducing L-Tryptophan and other aromatics by metabolic engineering. Appl Microbiol Biotechnol 69(6):615–626 Jiang PH, Shi M, Qian ZK, Li NJ, Huang WD (2000) Effect of F209S mutation of Escherichia coli AroG on resistance to phenylalanine feedback inhibition. Acta Biochim Biophys Sin 32(5):441–444 Lin H, Castro NM, Bennett GN, San KY (2006) Acetyl-CoA synthetase overexpression in Escherichia coli demonstrates more efficient acetate assimilation and lower acetate accumulation: a potential tool in metabolic engineering. Appl Microbiol Biotechnol 71:870–874 Liu Q, Cheng YS, Xie XX, Xu QY, Chen N (2012) Modification of tryptophan transport system and its impact on production of L-Tryptophan in Escherichia coli. Bioresour Technol 114:549–554 Lu J, Tang JL, Liu Y, Zhu XN, Zhang TC, Zhang XL (2012) Combinatorial modulation of galP and glk gene expression for improved alternative glucose utilization. Appl Microbiol Biotechnol 93:2455–2462 Nakano K, Rischke M, Sato S, Maerkl H (1997) Influence of acetic acid on the growth of Escherichia coli K12 during high-cell-density cultivation in a dialysis reactor. Appl Microbiol Biotechnol 48(5):597–601 Noronha SB, Yeh HJC, Spande TF, Shiloach J (2000) Investigation of the TCA cycle and the glyoxylate shunt in Escherichia coli BL21 and JM109 using 13C-NMR/MS. Biotechnol Bioeng 68:316–327 Phue JN, Shiloach J (2004) Transcription levels of key metabolic genes are the cause for different glucose utilization pathways in E. coli B (BL21) and E. coli K (JM109). J Biotechnol 109:21–30 Phue JN, Shiloach J (2005) Impact of dissolved oxygen concentration on acetate accumulation and physiology of E. coli BL21, evaluating transcription levels of key genes at different dissolved oxygen conditions. Metab Eng 7(5–6):353–363 Picon A, Teixeira MJ, Postma PW (2005) Reducing the glucose uptake rate in Escherichia coli affects growth rate but not protein production. Biotechnol Bioeng 90:191–200 Postma PW, Lengeler JW, Jacobson GR (1993) Phosphoenolpyruvate: carbohydrate phosphotransferase systems of bacteria. Microbiol Rev 57(3):543–594 Riesenberg D, Menzel K, Schulz V, Schumann K, Veith G, Zuber G, Knorre WA (1990) High cell density fermentation of recombinant Escherichia coli expressing human interferon alpha 1. Appl Microbiol Biotechnol 34(1):77–82 Schmid JW, Mauch K, Reuss M, Gilles ED, Kremling A (2004) Metabolic design based on a coupled gene expression—metabolic network model of tryptophan production in Escherichia coli. Metab Eng 6(4):364–377 Shen T, Liu Q, Xie XX, Xu QY, Chen N (2012) Improved production of tryptophan in genetically engineered Escherichia coli with TktA and PpsA overexpression. J Biomed Biotechnol. doi:10.1155/2012/605219 Sigala JC, Flores S, Flores N, Aguilar C, De Anda R, Gosset G, Bolívar F (2009) Acetate metabolism in Escherichia coli strains lacking phosphoenolpyruvate: carbohydrate phosphotransferase system; evidence of carbon recycling strategies and futile cycles. J Mol Microbiol Biotechnol 16:224–235 Stancik LM, Stancik DM, Schmidt B, Barnhart DM, Yoncheva YN, Slonczewski JL (2002) pH-dependent expression of periplasmic proteins and amino acid catabolism in Escherichia coli. J Bacteriol 184(15):4246–4258 Tang JL, Zhu XN, Lu J, Liu PP, Xu HG, Tan ZG, Zhang XL (2013) Recruiting alternative glucose utilization pathways for improving succinate production. Appl Microbiol Biotechnol 97:2513–2520 Wang J, Cheng LK, Wang J, Liu Q, Shen T, Chen N (2013) Genetic engineering of Escherichia coli to enhance production of L-Tryptophan. Appl Microbiol Biotechnol 97:7587–7596 Zhao CG, Cheng LK, Xu QY, Wang J, Shen ZQ, Chen N (2016) Improvement of the production of L-Tryptophan in Escherichia coli by application of a dissolved oxygen stage control strategy. Ann Microbiol 66:843–854 Zhu JF, Shimizu K (2005) Effect of a single-gene knockout on the metabolic regulation in Escherichia coli for d-lactate production under microaerobic condition. Metab Eng 7:104–115