野油菜黃單胞菌中gum D基因的過表達對產(chǎn)黃原膠的影響

王桂蘭，張曉元，陳曉燕，朱希強，凌沛學

(1.山東大學 藥學院，山東 濟南 250012;2.山東省生物藥物研究院博士后科研工作站，山東 濟南 250101)

野油菜黃單胞菌中gum D基因的過表達對產(chǎn)黃原膠的影響

王桂蘭1，2，張曉元2，陳曉燕2，朱希強1，2，凌沛學1，2

(1.山東大學 藥學院，山東 濟南 250012;2.山東省生物藥物研究院博士后科研工作站，山東 濟南 250101)

目的 在野油菜黃單胞菌58(Xc58)中過量表達產(chǎn)膠基因gum D，提高黃原膠發(fā)酵產(chǎn)量和質(zhì)量。方法通過PCR擴增、重組質(zhì)粒構(gòu)建、三親本接合等方法，將重組質(zhì)粒pBBR-gum D轉(zhuǎn)入原始菌Xc58。結(jié)果 工程菌與原始菌相比，黃原膠產(chǎn)量提高11.19%，黏度提高6.31%，重均分子質(zhì)量提高20.21%，乙酰基含量提高77.07%，丙酮酸含量下降6.34%。結(jié)論 改造后的菌株的黃原膠發(fā)酵產(chǎn)量和質(zhì)量都較原始菌株有所提高。

黃原膠;gum D;重組菌株

黃原膠(xanthan gum)是由野油菜黃單胞菌或甘藍黑腐病黃單胞菌，以糖類為主要原料，經(jīng)有氧發(fā)酵產(chǎn)生的一種胞外多糖。它由五糖重復單元組成，此單元中D-葡萄糖、D-甘露糖和D-葡糖醛酸的摩爾比為2∶2∶1。甘露糖上不同程度地被乙?；捅嵝揎棧?］。有研究表明，乙?；鶎S原膠分子構(gòu)象有穩(wěn)定效應，而丙酮酸利于分子間交聯(lián)［2］。因黃原膠具有獨特的增稠性、觸變性和穩(wěn)定性，已被廣泛應用于食品、醫(yī)藥、化妝品、陶瓷、石油等多種行業(yè)［3］。近年來，黃原膠的生產(chǎn)水平和規(guī)模在不斷提高，具有很大的商業(yè)前景［4］。

目前，國外黃原膠的研究熱點主要針對黃原膠發(fā)酵反應動力學和代謝網(wǎng)絡分析，從各個角度闡述黃原膠的高產(chǎn)機制，并在此基礎上改進工藝，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量［5］。產(chǎn)黃原膠基因陸續(xù)被分離、測序，其中gum基因簇被認為是直接影響黃原膠結(jié)構(gòu)和組成的一類結(jié)構(gòu)基因。Katzen等［6］通過基因敲除的方法對12個gum相關基因(B-M)的產(chǎn)膠功能進行了鑒定。通過過量表達部分gum相關基因，獲得具有遺傳穩(wěn)定性的黃原膠基因工程菌株，可生產(chǎn)不同結(jié)構(gòu)和組成的黃原膠。目前，尚未見利用基因工程改造黃原膠生產(chǎn)菌種用于工業(yè)化生產(chǎn)的報道。相關研究發(fā)現(xiàn)［7］，產(chǎn)膠基因gum D可表達葡糖轉(zhuǎn)移酶，在黃原膠合成過程中，調(diào)控第一個葡萄糖殘基與脂質(zhì)中間體的連接，是黃原膠合成過程中的關鍵酶。本實驗室通過過量穩(wěn)定表達gum D基因，試圖得到優(yōu)于原始菌產(chǎn)膠能力的工程菌，提高黃原膠產(chǎn)量和質(zhì)量。

1 材料

野油菜黃單胞菌(Xanthomonas campestris 58)，大腸桿菌(E.coli Top10)及質(zhì)粒pBBR-MCS-5均由本實驗室保存;pRK2073質(zhì)粒由美國華盛頓大學Ekaterina Latypova教授惠贈。

YM培養(yǎng)基和LB培養(yǎng)基分別用于Xc58種子及E.coli培養(yǎng);10 L發(fā)酵培養(yǎng)基:淀粉6%，豆餅粉0.4%，碳酸鈣 0.4%，硫酸鎂 0.2%，氯化錳0.02%，谷氨酸鈉0.1%。

限制性內(nèi)切酶HindⅢ、Taq酶(TaKaRa公司);凝膠試劑盒(北京天根生物技術公司)。

DAWN EOS多角度激光散射儀(Wyatt technology corp，USA);DV-E 黏度計(Brookfield，USA)

2 方法

2.1 gum D基因的克隆及分析

根據(jù)GenBank公布的Xc58全基因核苷酸序列，利用Primer Premier 5.0軟件，設計引物 gum D1:5'CCCAAGCTTATGCTTTTGGCAGACTTGAG 3'，gum D2:5'CCCAAGCTTTCAGTACGCGGTCTTCTGTC 3'，引 物兩端含有HindⅢ酶切位點，用于構(gòu)建表達載體。

2.2 DNA 的操作

PCR擴增、質(zhì)粒DNA的提取、純化、酶切、瓊脂糖凝膠電泳、DNA體外連接、轉(zhuǎn)化、三親本接合法等均按照文獻［8-9］方法進行。

2.3 測序

對驗證正確的陽性轉(zhuǎn)化子抽提質(zhì)粒進行基因測序，以判斷構(gòu)建的重組質(zhì)粒中是否含有完整的gum D基因，由博尚生物技術有限公司完成測序并進行序列分析。

2.4 質(zhì)粒穩(wěn)定性實驗

質(zhì)粒穩(wěn)定性實驗參照Meacock介紹的方法［10］進行。將30℃振蕩培養(yǎng)過夜的菌液，以10%量接種于含慶大霉素(Gm)30μg/mL的YM培養(yǎng)基100 mL中，培養(yǎng)12 h后，轉(zhuǎn)接到無Gm的YM培養(yǎng)基中繼續(xù)培養(yǎng)24 h，再轉(zhuǎn)接培養(yǎng)兩代后，將培養(yǎng)物稀釋適當倍數(shù)，取稀釋液100μL涂布于普通YM瓊脂平板，48 h后，隨機挑取單菌落100個，轉(zhuǎn)種于含Gm的YM瓊脂平板上，30℃培養(yǎng)48 h并進行菌落計數(shù)。

2.5 發(fā)酵液黏度測定

轉(zhuǎn)入gum D的工程菌株Xc58-D與原始菌株Xc58于10 L發(fā)酵罐發(fā)酵培養(yǎng)72 h，發(fā)酵條件為:溫度30℃，轉(zhuǎn)速450 r/min，通氣速率15 L/min，pH 7.0。發(fā)酵結(jié)束，用s05號轉(zhuǎn)子30 r/min下測定發(fā)酵液黏度值。

2.6 發(fā)酵液產(chǎn)膠量測定

取發(fā)酵液適當稀釋后，12 000 r/min離心10 min除去菌體及剩余淀粉，上清液用兩倍體積乙醇沉淀黃原膠多糖，50℃真空干燥后稱重，并換算成單位重量發(fā)酵液中的含膠量。

2.7 黃原膠的純化

取發(fā)酵液適當稀釋后，12 000 r/min離心10 min除去菌體，加入適量活性炭粉末，酸性條件下吸附1 h，硅藻土預涂布氏漏斗，抽濾取濾液，0.45μm濾膜過濾，將濾液用2倍無水乙醇沉淀，50℃真空干燥后稱重。

2.8 黃原膠分子質(zhì)量的測定

采用多角度激光散射儀測定黃原膠分子質(zhì)量:流動相 0.2 mol/L NaCl溶液，流速 0.6 mL/min，柱溫35 ℃，進樣濃度0.05 mg/mL，進樣量500 μL，黃原膠分子 dn/dc值為0.181［11］，得到的是重均分子質(zhì)量(MW)。

2.9 乙酰基及丙酮酸含量測定

乙?；捅岷繙y定分別采用2，4-二硝基苯腙比色法［12］和異羥肟酸比色法［13］。

3 結(jié)果

3.1 PCR 擴增反應

以Xc58基因組DNA為模板，經(jīng)引物gum D-1/2擴增，瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果顯示大小約為1.5 kb的單一條帶，見圖1，與預期大小相符。

3.2 pBBR-gum D重組質(zhì)粒的構(gòu)建

PCR擴增產(chǎn)物經(jīng)HindⅢ酶切純化后連接于同樣經(jīng)HindⅢ酶切的pBBR-MCS-5質(zhì)粒中獲得重組質(zhì)粒pBBR-gum D(圖2)。CaCl2轉(zhuǎn)化E.coli Top10感受態(tài)細胞，挑取多個獨立的白色菌落擴大培養(yǎng)，提取質(zhì)粒進行電泳驗證，選擇陽性重組質(zhì)粒進行DNA序列測定，進一步驗證擴增片段及連接方向的正確性。

圖2 pBBR-gum D重組陽性質(zhì)粒電泳圖Fig.2 pBBR-gum D positive recombinant plasmid by electrophoresis

3.3 Xc58-D基因工程菌株的構(gòu)建及質(zhì)粒穩(wěn)定性驗證

將 Xc58、Top 10(pBBR-gum D)和 Top 10(pRK2073)以三親本接合方法在Gm抗性瓊脂平板上獲得陽性轉(zhuǎn)化子，提取質(zhì)粒經(jīng)測序鑒定序列正確。經(jīng)質(zhì)粒穩(wěn)定性實驗表明，該質(zhì)?？梢栽赬c58中穩(wěn)定存在，經(jīng)過三代72 h無抗性培養(yǎng)后，質(zhì)粒穩(wěn)定性100%，適合工業(yè)生產(chǎn)應用。

3.4 黃原膠發(fā)酵過程中黏度及產(chǎn)量變化曲線

Xc58、Xc58-D經(jīng)10 L發(fā)酵罐發(fā)酵培養(yǎng)72 h，每隔8 h取樣，分別測定發(fā)酵液黏度及產(chǎn)膠量，結(jié)果如圖3～4。

Xc58菌種最后發(fā)酵液的黏度為6 810 mPa·s(s05，30r/min)，產(chǎn)膠量為28.07g/kg。Xc58-D菌種發(fā)酵液的黏度為7 240 mPa·s(s05，30 r/min)，比Xc58 提高了6.31%，產(chǎn)膠量為31.21 g/kg，比 Xc58提高了11.19%。

圖3 Xc58和Xc58-D發(fā)酵液黏度曲線圖Fig.3 Fermentation broth viscosity curve by Xc58 and Xc58-D

圖4 Xc58和Xc58-D產(chǎn)膠量曲線圖Fig.4 Production curve of xanthan gum by Xc58 and Xc58-D

3.5 Xc58-D與Xc58產(chǎn)黃原膠質(zhì)量的比較

將上述發(fā)酵所得樣品進行純化，分別配成1%的溶液，再測黏度。另外，取適量兩樣品粉末，分別測定 MW、乙?；氨岷俊＝Y(jié)果見表 1。Xc58-D發(fā)酵的黃原膠經(jīng)純化后的黏度、MW、乙?；勘?Xc58分別提高了 5.26%，20.21% 和77.07%，丙酮酸含量則下降了6.34%。

表1 Xc58和Xc58-D發(fā)酵黃原膠質(zhì)量比較Tab.1 Quality comparison of xanthan gum from Xc58 and Xc58-D

4 討論

黃原膠的工業(yè)應用主要依賴其較高的黏彈性及優(yōu)良的流變學性質(zhì)。這些性質(zhì)與黃原膠的分子質(zhì)量、乙?；捅岬鹊暮坑忻芮嘘P系，即分子質(zhì)量的大小及有關基團的含量高低影響黃原膠的質(zhì)量。我國目前黃原膠的生產(chǎn)能力與國外相比尚有差距，我們在努力提高黃原膠的工業(yè)化產(chǎn)量的同時，更應該注重質(zhì)量的提高［14］。

運用基因工程的手段發(fā)現(xiàn)有利于提高黃原膠產(chǎn)量及質(zhì)量的基因，并能實現(xiàn)穩(wěn)定性遺傳，是實現(xiàn)黃原膠工業(yè)化突破的重要手段。gum D編碼黃原膠合成的關鍵酶，影響合成的起步階段。本研究證明了過量表達gum D可得到黏度和Mw更高的黃原膠，同時乙?；捅岷恳舶l(fā)生變化，為黃原膠品種多樣性的繼續(xù)研究提供借鑒。

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Effect of by overexpressing gum D in Xanthomonas campestris on the xanthan gum

WANG Gui-lan1，2，ZHANG Xiao-yuan2，CHEN Xiao-yan2，ZHU Xi-qiang1，2，LING Pei-xue1，2
(1.School of Pharmaceutical Science，Shandong University，Jinan 250012，China;2.Postdoctoral Scientific Research Workstation，Institute of Biopharmaceuticals of Shandong Province，Jinan 250101，China)

Purpose To improve the yield and quality of xanthan gum by overexpressing gum D in Xanthomonas campestris 58(Xc58).Methods By PCR amplification，plasmid construction，triparental conjugation and other methods，pBBR-gum D was transformed into the original strain Xc58.Results Compared with Xc58，the recombinant strain Xc58-D has increased by 11.19%in the yield of xanthan gum，by 6.31%increased in viscosity，by 20.21%increased in molecular weight，and by 77.07%increased in acetyl content，but 6.34%decreased in pyruvate content.Conclusion The recombinant strain has a higher yield and improves the quality of xanthan gum.

xanthan gum;gum D;recombinant strain

TQ460.38

A

1005-1678(2012)02-0106-04

2011-07-19

國家“十一五”科技支撐計劃(編號:2008BAI63B08)

王桂蘭，女，碩士研究生，微生物與生化藥學專業(yè);凌沛學，男，通信作者，研究員，博士生導師 Tel:0531-81213003，E-mail:lpx@sdfmg.com。