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Surfactin菌株产量的定向启动子改造技术应用

2020.4.20
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王辉

致力于为分析测试行业奉献终身

SrfA是surfactin合成的功能基因,是一个长达26.2 kb大小的基因簇,因此,通过过表达该基因来强化surfactin的合成途径在技术上存在较大难度。该功能基因受到启动子PsrfA的调控,而启动子的强弱可以在一定程度上决定菌株的生产能力,因此,启动子替换被认为是提高原始菌株产脂肽的合理手段。

启动子改造促进产量提升的典型成功案例来自于对天然高产菌株的改造结果。Sun等通过同源重组的方法将B. subtilis fmbR中的启动子PsrfA替换成一个来源于B. subtilis的强诱导型启动子Pspac,得到了重组菌株fmbR-1;在IPTG (300μmol/L)诱导下重组菌株fmbR-1的产量是野生型出发菌株的10倍,产量达到3.86g/L;在无IPTG添加条件下,fmbR-1的产量也可以高达5倍左右。除了替换一些天然强启动子外,还可以替换一些人工合成的启动子。清华大学于慧敏课题组在surfactin的启动子改造方面也获得了显著成果。Song等分析了surfactin高产野生菌株B. subtilis THY-7的转录组数据,发现该菌株控制surfactin合成的原始启动子PsfrA是一个弱启动子,同时也发现了菌株自身的一些强启动子(PgroE、PsacB、PsacP);令人惊讶的是用强启动子PgroE替换原始启动子PsfrA后,重组菌株不能合成surfactin;随后人工构建了3个杂合型强启动子Pg1、Pg2和Pg3用于改造B. subtilis THY-7菌株。

杂合型启动子Pg1融合了启动子PgroE的–35到–10序列和PsacB的RAT诱导元件序列,重组菌株THY-7/Pg1的产量达到了1.44g/L。杂合型启动子Pg2是在Pg1的基础上,在PgroE的–35到–10序列中间融合了一段lacO操纵子序列,重组菌株THY-7/Pg2的产量为5.98g/L。杂合型启动子Pg3是根据枯草芽胞杆菌的sigma因子70(σA)的–35到–10的保守序列以及点突变Pg2的2个碱基的基础上设计而来的,最终重组菌株THY-7/Pg3在5L发酵罐上(具有泡沫回收装置)发酵32h的产量达到了9.74g/L,表明改造后的菌株具有高产、高生产速率等优良性状。该重组菌株的surfactin产量也是目前报道的最高产量。

但是,在模式菌株或其他菌株中也存在启动子改造的失败案例。Coutte等用组成型启动子PrepU替换了B. subtilis 168衍生菌株BBG111的PsrfA后,得到突变菌株BBG113的surfactin产量却有所下降。随后Wilenbacher等的研究发现,用一个强的组成型启动子Pveg分别替换产surfactin能力弱的菌株3A3B和产surfactin能力强的DSM 10T的原始启动子PsrfA,产生重组菌JWSurf2和JWSurf3;结果发现重组菌JWSurf2的surfactin产量高于原始菌3A3B,而JWSurf3的产量却远低于原始菌DSM 10T。

由此我们可知,通过定向改造产surfatin菌株的启动子PsrfA并不都会导致surfactin产量的提高,这可能与菌株自身产surfactin能力的强弱以及菌株特性有关。对野生型surfactin生产菌株进行启动子改造前,有必要对菌株的转录组进行分析,有针对性地改造或构建适合该菌株的强启动子或杂合启动子,有助于提高成功率。同时,也要考虑到野生芽胞杆菌的遗传操作系统存在很多不确定性,大大增加了分子改造的难度;选择和构建合适的遗传操作方法是成功的基础。

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