第30卷第3期 2011年5月 食品与生物技术学报 Journal of Food Science and Biotechn0l0gy VoL 3O NO.3 May 2011 文章编号:1673—1689(2011)03—0394—04 L一缬氨酸高产菌诱变育种的研究 , 钱和。 (1.江南大学工业生物技术教育部重点实验室,江苏无锡214122;2.江南大学生物工程学院, 江苏无锡214122;3.江南大学食品学院,江苏无锡214122) 摘 要:以黄色短杆菌(Brevibacterium flavum)I 一缬氨酸产生茵XQ_2为出发菌株,经硫酸二乙 酯(DES)和亚硝基胍(NTG)逐级诱变处理,氨基酸结构类似物a一氨基丁酸(a—AB)、2一噻唑丙氨酸 (2-TA)和a一氨基一G一羟基戊酸(AHV)定向筛选,获得一株L一缬氨酸高产茵XQ一8(Leu (一AB 2一 TA AHVh)。在以135 g/i 葡萄糖为碳源和50 g/L硫酸铵为氮源的培养基中摇瓶发酵72 h,产 酸达64 ̄66 g/L。 关键词:L一缬氨酸;诱变育种;黄色短杆菌 中图分类号:TQ 922 文献标识码:A Studies on the Breeding of L—-Valine Hyper。-Producing Mutant ZHANG Wei—guo ¨. QIAN He。 (1.Key Laboratory of Industrial Bioteehnology,Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi 214122,China; 2.School of Biotechnology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;3.School of Food Science and Technology, Jiangnan University,Wuxi 214122,China) Abstract:Using Brevibacterium flavum XQ一2(Leu (一AB AHV 2一TA )as a starting strain for stepWise mutagenesis by diethylsulfate(DES),N—methyl—N 。nitro—soguanidine(NTG) treatment,a L—valine hyper—producing mutant XQ一8(Leu (一ABh 2一TAh AHV )was obtained, which could be resistant to high concentration a—amino—butyric acid(a—AB),2-thiazole—DI 一 alanaine(2一TA)and a—amino—B—hydroxy-valeric acid(AHV). As a result,high L-valine concentration(64~66g/L)was obtained with shaking at 3 1±1℃for 72h in the medium containing 135g/L glucose and 50g/L(NH4)2SO4. Key words:L—valine,breeding,brevibacterium flavum I 一缬氨酸是人体8种必需氨基酸之一,同时又 是3种支链氨基酸之一,因其特殊的结构和功能在 人类生命代谢中占有特别重要的地位,可广泛应用 于食品和医药等方面,但由于其生产成本较高,价 格较贵,目前主要用于配制复合氨基酸制剂,特别 是应用于高支链氨基酸输液(如3H输液等)和口服 液(肝安干糖浆等)。最近,人们发现L一缬氨酸是合 成一种治疗高血压的特效药——缬沙坦的重要中 间体,其年消耗量猛增到数千吨。 目前,国际上生产L一缬氨酸均采用发酵法。日 收稿日期:2010—05—25 基金项目:国家863计划项目(2008AA02Z212)。 作者简介:(1963一),男,江苏张家港人,工学博士,教授,博士研究生导师,主要从事氨基酸生产菌选育 和发酵工艺控制研究。Email:zhangwg168@126.corn 第3期 等:L一缬氨酸高产菌诱变育种的研究 395 本的松琦氏选育的厌气杆菌在100 g/L的葡萄糖培 养基中产酸达15 g/L_】 ;Tsuchicla等选育的乳糖 发酵短杆菌摇瓶产酸达31g/Ll2 ;日本协和公司的 L一缬氨酸产酸水平达4O~50 g/Ll_3]。中国科学院 胍(NTG)为瑞士Fluka公司产品;(一氨基丁酸((一 AB)、a一氨基一口一羟基戊酸(AHV)和2一噻唑丙氨酸 (2一TA)为美国Sigma公司产品。 1.4诱变方法 微生物研究所于1975年在国内首次报道了L一缬氨 酸产生菌北京棒杆菌突变株AS1.586的选育,产酸 为26 g/LE 。“七五”期间中国科学院微生物研究 所进行了第二代缬氨酸高产菌的选育,摇瓶产酸提 常规化学诱变法[1 。 1.5氨基酸结构类似物抗性株检出方法 将氨基酸结构类似物按一定浓度混合于基础 培养基中,制成平板后,涂布上述经诱变处理过的 高到30g/L[5]。选育的黄色短杆菌XQ一2摇 瓶产酸达42 ̄45g/L_6];浦军平等选育L一缬氨酸产 生菌种摇瓶产酸达45g/L_7]。等选育的黄色 短杆菌XQ一6摇瓶产酸达58~62g/L ]。赵丽丽等 选育的缬氨酸高产菌TV2564,5 L罐补料分批发酵, 产酸达5O g/ 。徐庆阳等选育的L_缬氨酸高产 菌,10 L发酵罐补料分批发酵72 h,产酸可达53.4 g/ ]。本试验对以前选育的L_缬氨酸产生菌XQ-6 定向育种,产酸进一步提高,摇瓶产酸64 ̄66 g/L,50 L发酵罐补料分批发酵68 h产酸高达68.7 L。 1材料与方法 1.1 菌种 出发菌株为L.缬氨酸产生菌XQ一2(Leu (一ABr AHV 2一TA )。 1.2培养基 1.2.1 完全培养基(g/L) 葡萄糖5、牛肉膏1O、 蛋白胨10、NaC1 5、琼脂条25。 1.2.2基础培养基(g/L) 葡萄糖20、(NH ) SO4 1.5、KH2 PO4 1、K2 HPO4 3、MgSO4・7H2 O 0.5、MnSO4・4H2 O 0.01、FeSO4・7H2 O 0.01、 VH 30 ptg/L、VB1・HC1 100/zg/L、尿素1.5、琼脂 粉20。 1.2.3 种子培养基(g/L) 葡萄糖25、 (NH4)2SO4 5、KHz PO 1、MgSO4・7H2 O 0.5、玉 米浆35 ̄40、尿素2.5、CaCO310。 1.2.4 发酵培养基(g/L) 葡萄糖120~150、 (NH )2 SO4 35~50、KHz PO 1、MgSO4・7H2 O 0.5、MnSO4・4H2 O 0.01、FeSO4・7H2 O 0.01、 VH 25~100 g/L、VB ・HC1 50 ̄tg/L、玉米浆5~ 10、CaCO3 40。 完全、基础和种子培养基均以20 g/dL NaOH 调pH至7.5~7.6,0.1 MPa压力下灭菌20 rain。 发酵培养基以20 g/dL NaOH调pH值为7.5~ 7.6,0.07 MPa压力下灭菌8 rain。 1.3主要试剂 硫酸二乙酯(DES)为上海试剂厂产品;亚硝基 菌体,置30℃恒温箱中培养3~5 d后长出的大菌 落,即是氨基酸结构类似物抗性变异株。 1.6分析方法 1.6.1 pH值测定用酸度计测定法。 1.6.2 菌体生长 吸取样品菌液0.2 mL加到5 mL浓度为0.25 mol/L HC1溶液中,摇匀后测定 A 值。 1.6.3 葡萄糖 采用SBA一4多功能谷氨酸一葡萄 糖分析仪测定。 1.6.4 L一缬氨酸 纸上层析法、比色定量法ElZ3和 氨基酸分析仪测定。 2结果与讨论 2.1 L-缬氨酸高产菌XQ-6的选育谱系 2.1.1 a—ABh变异株的获得 从XQ一2出发,经 DES诱变,高浓度a—AB平板筛选,获得a-ABh变异 株215株,经摇瓶筛选获得一株L一缬氨酸高产菌 V5—128,产酸质量浓度为45 ̄47g/L。 2.1.2 2-TA 变异株的获得 在获得V5-128的 基础上,经NTG诱变,高浓度2一TA平板筛选,获 得2一TA 变异株163株,其中有几株L一缬氨酸积累 有不同程度的增加,代表性株V6-56的产酸达55~ 56 g/L。 2.1.3 AHVh变异株的获得 继续由NTG诱变, 高浓度AHV平板筛选,获得AHVh变异株98株, 其中有几株L_缬氨酸积累有不同程度的增加,代表 性株V7—87的产酸达60 ̄62 g/L,经单菌落分离发 酵条件优化,产酸稳定在64 ̄66 g/L。 2.1.4 L一缬氨酸高产菌XQ一8的选育谱系 从选 育的L_缬氨酸产生XQ-2出发,经DES和NTG诱 变处理,L一缬氨酸结构类似物定向选育,得到L一缬 氨酸高产菌XQ一8,具体选育谱系见图1。 2.2 L一缬氨酸高产菌xQ8发酵条件的研究 2.2.1 各种营养物质对产酸的影响 考察了生物 素对XQ-8菌株L一缬氨酸发酵的影响。结果表明, 生物素为XQ一8菌株生长和产酸的唯一必需因子, 缺之,菌体不能生长和产酸(见图2)。当生物素添 396 食品 与 生 物技术 学报 第30卷 菌株 质 /L) 黄色短杆菌xQ.2(Leu d—AB AHV'-2TA )40~42 上。Es V5.128(Leu AHVr2.TA Ⅱ.ABh ̄)45 ̄47 TG V6.56(Leu AHV Ⅱ.ABhr_TA 55 ̄56 V7.87(Leu’a. B 2.TA AHV 、JrNTG 60 ̄62 I单菌落分离及工艺改良 XQ.8(Leu d.AB 2.TA AHV ̄) 64~66 上标l一渗漏型;r一抗性hr-- ̄抗 图1 L-缬氨酸高产菌xQ-8的选育谱系 Fig.1 Schematic chart of mutagensis procedure for L- valine producer xQ-o8 Superscript卜leaky mu— tant r_resistance hr-high resistance 加质量浓度为40~50/.tg/L时,可获得较高的L一缬 氨酸积累。由于只添加纯生物素时前期菌体生长 较慢,故进行添加生物素同时添加少量玉米浆发酵 试验,结果表明,当添加40~50 t ̄g/L生物素和0。5 g/dI 玉米浆时,L一缬氨酸积累最高,达64~66 g/L (见图3)。 7 6 s 咖l 4 聪2 1 生物素质量浓度/(u g/L) 图2 生物素对L一缬氨酸发酵的影响 Fig.2 Effect of biotin on L valine production 生物素质量浓度/(1I g/L) 图3添JJ0 ̄.米浆时生物素对L.缬氨酸发酵的影响 Fig.3 Effect of the additional corn steep liquor and bio— tin on L—valine production at one time 添加支链氨基酸(L一亮氨酸和L一异亮氨酸),当 浓度较低(≤2 g/L)时,对L一缬氨酸发酵的影响不 大(如图4所示);只有当支链氨基酸的浓度较高 (≥6 g/L)时,则影响较大(如图5所示)。 蛏 嘲 锚 腻 爨 O 2 4 6 8 lO L一异亮氨酸质量浓度/(g/L) 图4 L一亮氨酸对L一缬氨酸发酵的影响 Fig.4 Effect of L-leucine on L-valine production 80 越 60 蠖 皿唧 40 峰 腻 20 O 0 2 4 6 8 lO L-异亮氨酸质量浓度/(g/L) 图5 L-异亮氨酸对L一缬氨酸发酵的影响 Fig.5 Effect of L‘isoleucine on L-valine production 2.2.2 XQ一8菌株L一缬氨酸最佳发酵条件 应用 正交试验法综合考察了培养基成分、种龄、接种量 等多种因素对菌株产酸的影响,得到的最佳发酵条 件列于表1。 表1 L-缬氨酸摇瓶发酵的最佳条件 Tab.1 Optimal fermentation condition for L-valine produe- tion 2.2.3 xQ-8菌株L一缬氨酸发酵进程曲线 图6 为一缬氨酸高产菌XQ8的典型发酵过程曲线。图6 中,O~12 h为菌体生长延滞期,此时菌体耗糖速率 较慢,主要用于长菌,基本不产酸;13~36 h为菌体 生长对数期,此时生长速率达到并保持最大,耗糖 第3期 1 等:L一缬氨酸高产菌诱变育种的研究 397 着共同的酶,因此代谢调节机制较为复杂。在合成 途径中存在:(1)缬氨酸对a一乙酰羟基酸合成酶 (AS)有抑制作用;(2)缬氨酸、异亮氨酸和亮氨酸对 \ bo 0 蚤 0蟮 姆 婶 {霹 矮 咖1 喀 a一乙酰羟基酸合成酶(AS)有多价阻遏作用。 L一缬氨酸生物合成的限速酶为a一乙酰羟基酸 合成酶(AS)。因此,如果要在培养基中积累大量 L一缬氨酸,就必须解除正常的反馈调节,即解除L一 缬氨酸对a一乙酰羟基酸合成酶(AS)的反馈抑制及 L一异亮氨酸、L一缬氨酸和L一亮氨酸对a一乙酰羟基酸 键 蜮 时间/h 合成酶(AS)的多价阻遏。a—AB为L_缬氨酸的结 构类似物,其高浓度抗性突变株可解除了L_缬氨酸 对a一乙酰羟基酸合成酶(AS)的反馈抑制;2一TA为 图6 L-缬氨酸发酵过程曲线 Fig.6 Time-course of L。valine production L_缬氨酸和L一亮氨酸的结构类似物,其高浓度抗性 速率明显加快,并开始产酸;37~64 h进入菌体稳态 生长期,此间耗糖速率较快,L厂缬氨酸大量合成;65~ 突变株也同样可解除了L一缬氨酸和L一亮氨酸对a一 乙酰羟基酸合成酶(AS)的多价阻遏,使得As的酶 活极大幅度地提高,其结果在培养基中积累大量L一 缬氨酸;AHV为苏氨酸的结构类似物,其抗性突变 株为何能提高L一缬氨酸的积累?其机制尚没有解 L一缬氨酸与L一亮氨酸和L一异亮氨酸的生物合 成途径是相关的,这3种氨基酸的生物合成,存在 明,是否存在AHV抗性可解除异亮氨酸对AS的 多价反馈调节,这一点值得进一步探讨。 72 h为衰亡期,此间耗糖速率减慢,直到发酵结束。 3 结 语 参考文献(References): [I]木下祝郎.L一缬氨酸菌种的选育EM].新版发酵工业,1974,(1):5. [2]张克旭.氨基酸发酵工艺学[M].北京:中国轻工业出版社,1992,678. [3]冯容保.氨基酸的工业生产[J].发酵科技通讯,2000,29:1. FENG Rong—bao.Industry production of amino acid[J].Fa Jiao Keji Tongxun,2000,29:1.(in Chinese) [4]中国科学院微生物研究所氨基酸组.L一缬氨酸产生菌AS1.586的选育.微生物学报,1975,15(4):325 330. Institute of Microbiology of CAS.Breeding of L-valine producer AS1.586[J].Acta Microbiol Sin.1975,15(4):325~ 330.(in Chinese) [5]王秀岭,屈明波,黄和容.多重抗性突变株L一缬氨酸发酵口].微生物学通报,1990,17(5):276 ̄279. WANG Xiu—ling,QU Ming—bo,HUANG He—rong.A multi—resistances mutant for L-valine producer[J].Microbiology. 199O,17(5):276~279.(in Chinese) [6],钱和.L一缬氨酸菌种的选育[J].元锡轻工业大学学报,1995,(3):221—224. ZHANG Wei—guo,QIAN He.Breeding of L-valine producer[J].Journal of Wuxi Univesirty of Light Industry,1995,(3): 221—224.(in Chinese) [7]浦军平,肖泉,林学军.一次性高搪发酵L.缬氨酸菌种选育及发酵条件EJ].大连轻工业学院学报,2001,20(4):264--267. PU Jun-ping,XIAO Quan,LIN Xue-jan.Selective breeding process and fermenting condition of L-valine in highglueoside [J].Journal of Dalian Institute of Light Industry,2001,20(4):264—267.(in Chinese) [8],钱和. 缬氨酸高产菌选育及营养需求研究[J].沈阳药科大学学报,2001,18(6):443—446. ZHANG Wei—guo,QIAN He.Study on the breeding of L-valine hyper—producer and its requirement for nutrients[J]. Journal of Shenyang Pharmaceutical University.2001,18(6):443—446.(in Chinese) [9]赵丽丽,张蓓,陈宁等.L广缬氨酸补料分批发酵的研究[J].南开大学学报:自然科学,2002,35(4):106—110. ZHA0 Li—Ii,ZHANG Pei,CHEN Ning.Studies on the feed batch fermentation of L—valinef J】.Acta Scientiarum Natural- ium University Nankaiensis.2002,35(4):106—110.(in Chinese) El0]徐庆阳,刘树海,陈宁.L一缬氨酸的发酵工艺研究[J].生物技术通讯,2006,17(3):381—386. XU Qing-yang,LIU Shu—li,CHEN Ning.Study on the fermentation process of L—valine produced by brevibacterium fla— vum[J].Lettes rin Biotechnoiogy.2006,17(3):381—386.(in Chinese) [113章名春.工业微生物诱变育种I-M],北京:科学出版社,1984 -112]潘家秀.蛋白质化学研究技术[M],北京:科学出版社,1962