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大肠杆菌中固定CO2产乳酸代谢途径的构建和高固碳活性核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶的筛选研究

文献类型:学位论文

作者学位论文
答辩日期2019-11-25
文献子类硕士
授予单位中国科学院研究生院
授予地点北京
导师张晓黎
关键词Rubisco 大肠杆菌 Co2固定 乳酸 发酵
学位名称工程硕士
学位专业生物工程
其他题名A study of construction of a metabolic pathway for lactic acid production by fixed CO2 in E. coli and screening of Rubisco with high carboxylation activity
英文摘要

卡尔文循环(Calvin-Benson-Bassham, CBB)是从无机碳生产有机生物质的主要途径,核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶(Rubisco)是CBB循环固定CO2第一步反应中的关键酶和限速酶,Rubisco的羧化活性直接影响自养生物通过CBB循环进行CO2固定的能力,在作物生产和全球碳循环中起着关键作用。

RubiscoCO2的催化效率和选择性极低,而且其活性中心高度保守,利用现有的理性设计或定向进化手段对其进行改造收效甚微。因此,设计高效的高活性Rubisco筛选体系,探索未知的Rubisco,是目前的研究热点。此外,利用Rubisco的固碳活性合成生物基化学产品已成为微生物固碳研究的重要方向。目前已利用Rubisco在蓝藻、酿酒酵母中实现了产乙醇、异丁醛、L-丁醇和甘油等化学产品,但利用Rubisco在大肠杆菌Escherichia coli中固定CO2产乳酸的研究尚未见报道。因此,本研究尝试在大肠杆菌体内建立一条Rubisco固定CO2产乳酸的代谢途径。主要结果如下:

1在大肠杆菌中构建了一条甘油-木糖-Rubisco-PRK产乳酸代谢途径,其乳酸的理论得率为107.8%13C标记的乳酸理论得率为25%。通过发酵条件优化和发酵菌株比较,最终确定发酵条件为:厌氧条件下,发酵培养基为M9,缓冲液为HEPES/NaHCO3诱导温度为22℃,发酵菌株为E. coli BW25113ΔfrdΔpflB::ldhA。在此发酵条件下,该菌株的乳酸产量为2.51 g/L乳酸得率为92.04%13C标记的净乳酸得率为19.66%

2)通过细胞生长状态初筛和乳酸产量及13C标记的乳酸得率复筛,构建了适用于筛选高效Rubisco羧化活性的筛选体系。与已有筛选体系相比,该体系具有高通量、准确度高、更简便的优势。

3)利用本课题构建的高效Rubisco羧化活性筛选体系,从23个带有不同来源RubiscoE. coli中筛选到BW-RBC9菌株,其乳酸产量为3.1 g/L;乳酸得率为93.46%,接近理论得率107.8%13C标记的净乳酸得率21.83%,接近理论得率25%

综上,本课题构建的甘油-木糖-Rubisco-PRK产乳酸代谢途径实现了Rubisco在大肠杆菌中固定CO2产乳酸的功能;建立了一套适用于高通量筛选Rubisco筛选体系,并成功筛选到高羧化活性的Rubisco,为今后利用Rubisco在大肠杆菌中固定CO2产乳酸并实现产业化进行了有益的探索。

学科主题微生物学
语种中文
目次

                                            

1 ... 1

1.1  微生物固碳... 1

1.2  核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶(Rubisco... 1

1.3  Rubisco筛选方法的研究现状... 5

1.4  大肠杆菌中Rubisco固碳的代谢工程改造和应用... 7

1.5  课题研究意义和目标... 9

2 材料与方法... 11

2.1  实验材料... 11

2.1.1  质粒与菌株... 11

2.1.2  引物... 12

2.1.3  试剂... 13

2.1.4  培养基... 14

2.1.5  主要仪器... 15

2.2  分子生物学实验方法... 15

2.2.1  PCR扩增目标基因... 15

2.2.2  限制性酶切与连接... 16

2.2.3  CRISPR基因敲除... 17

2.2.4  大肠杆菌感受态细胞的制备与转化... 18

2.2.5  菌落PCR鉴定... 20

2.2.6  DNA合成与测序... 20

2.3  菌株培养方法... 21

2.3.1  固体培养基筛选方法... 21

2.3.2  改造大肠杆菌产乳酸发酵方法... 21

2.4  检测方法... 22

2.4.1  木糖、乳酸、甘油的检测... 22

2.4.2  Rubisco活性检测... 23

3  大肠杆菌中利用Rubisco固定CO2产乳酸途径的构建... 25

3.1  引言... 25

3.2  甘油-Rubisco-PRK代谢途径的建立... 26

3.2.1 E. coli HX-030中甘油-Rubisco-PRK代谢途径的评价... 27

3.2.2 E. coli EB204中甘油-Rubisco-PRK代谢途径的评价... 29

3.3  甘油-木糖-Rubisco-PRK代谢途径的建立... 33

3.3.1 E. coli EB204中甘油-木糖-Rubisco-PRK代谢途径产乳酸能力和固碳能力的评价    34

3.4  Rubisco固碳产乳酸发酵方式的优化... 37

3.4.1  发酵培养基的选择和优化... 37

3.4.2  发酵温度的选择... 41

3.4.3  厌氧和微好氧发酵的选择... 43

3.5  Rubisco固碳产乳酸大肠杆菌的选择... 45

3.6  本章小结... 50

4 高固碳活性Rubisco筛选办法的构建... 53

4.1  引言... 53

4.2  大肠杆菌活性定向选择系统对不同来源Rubisco固碳活性的评价... 53

4.2.1  大肠杆菌活性定向选择系统的设计原理... 53

4.2.2  大肠杆菌活性定向选择系统中不同羧化活性Rubisco的比较... 54

4.3  新构建的高固碳活性Rubisco筛选办法的评估... 56

4.3.1  高固碳活性Rubisco筛选办法的设计原理... 56

4.3.2  高固碳活性筛选体系中不同羧化活性Rubisco的比较... 57

4.4  本章小结... 59

5 高羧化活性Rubisco固碳元件的筛选... 61

5.1  引言... 61

5.2  筛选获得高固碳活性的Rubisco元件... 61

5.3  产乳酸代谢途径的改造... 64

5.3.1  代谢途径优化前后发酵结果比较... 67

5.4  本章小结... 69

6  结论与展望... 71

6.1  结论... 71

6.2  展望... 71

参考文献... 73

  ... 77

  ... 79

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果... 81

页码96
源URL[http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/24121]  
专题中科院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
学位论文. 大肠杆菌中固定CO2产乳酸代谢途径的构建和高固碳活性核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶的筛选研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2019.

入库方式: OAI收割

来源:烟台海岸带研究所

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