誘變選育雄烯二酮高產菌株及其發(fā)酵條件研究

黃麗君，張洪斌，胡雪芹

(合肥工業(yè)大學制藥工程系，合肥230009)

雄烯二酮(androstenedione)是甾體激素類藥物的重要中間體［1］，對機體起著非常重要的調節(jié)作用，目前主要通過微生物選擇性降解植物甾醇側鏈所得。微生物法制取雄烯二酮具有產品純度高，不受原材料限制，易于大規(guī)模生產等優(yōu)點［2，3］，但是也普遍存在底物植物甾醇在水相中溶解度小，菌種轉化能力低等缺點。

為了選育發(fā)酵性能優(yōu)良菌種，本文研究采用新型的N+注入法與NTG法對分枝桿菌進行聯(lián)合誘變，以選育優(yōu)良的雄烯二酮高產菌株。

亞硝基胍(NTG)是一種高效的化學誘變劑，在適當的條件下，菌體的死亡率低而誘變率高，對每一細胞可以誘發(fā)一次至多次突變，因此有超誘變劑之稱［4］。離子注入是20世紀80年代興起的一種材料表面處理技術。中國科學家獨辟蹊徑，將離子注入這一高新技術應用于農作物品種改良并獲得成功，由此開始了注入離子與生物體系相互作用過程的探索［5，6］，目前廣泛應用于生物誘變育種中。利用低能離子注入具有生理損失小、突變范圍廣、突變程度高的特點，希望能夠篩選到高產突變菌株［7］。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 菌種來源

分枝桿菌(Mycobacterium sp.)，由本實驗保藏。

1.1.2 試劑和儀器

植物甾醇和雄烯二酮(購于湖北遠成藥業(yè));其他試劑均為分析純，水為去離子水。SPX-250型生化培養(yǎng)箱(上海躍進醫(yī)療器械廠);島津GC-2014氣相色譜儀(日本島津);HC-3018R高速冷凍離心機(科大創(chuàng)新股份有限公司中佳分公司);HQL300B恒溫搖床(武漢中科科學儀器廠)。

1.1.3 培養(yǎng)基

斜面培養(yǎng)基:高氏Ⅰ號培養(yǎng)基3.75%，甘油2.0%，pH值7.2。

篩選培養(yǎng)基:植物甾醇1%，硝酸鉀0.1%，磷酸氫二鉀0.05%，硫酸鎂 0.05%，氯化鈉 0.05%，硫酸亞鐵0.001%，瓊脂2%，pH值7.2。

種子培養(yǎng)基:BPD復合酵母膏1.5%，葡萄糖0.6%，磷酸氫二銨0.06%，硝酸鈉0.54%，pH值7.2。

轉化培養(yǎng)基:有機相為大豆油10%，植物甾醇1%，水相為紅糖1.5%，麥芽糖1.08%，磷酸氫二銨0.06%，硝酸鈉0.54%，pH值7.2。

1.1.4 培養(yǎng)條件

斜面培養(yǎng)基:溫度30℃ ～32℃，生長周期5～7 d。

種子培養(yǎng)基:溫度30℃ ～32℃，轉速250 r/min，生長周期60 h。

轉化培養(yǎng)基:溫度30℃ ～32℃，接種量10%，轉速250 r/min，發(fā)酵周期 7 d。

1.2 實驗方法

1.2.1 菌懸液的制備

挑取1環(huán)斜面培養(yǎng)基上已活化好的菌株，接入滅菌的、裝有玻璃珠的三角瓶中，置于31℃，250 r/min的恒溫搖床中震蕩30 min，獲得菌懸液，并將其稀釋至細胞濃度約為107～108個/mL左右，備用。

1.2.2 NTG誘變方法

NTG配制:NTG結晶50 mg，加助溶劑丙酮1 mL溶解，用pH值6.0的磷酸鹽緩沖液配制成2.5 mg/mL原液。

誘變處理:取0.8 mL菌懸液，按 NTG終濃度0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg/mL 依次加入NTG 原液，用緩沖液補至1 mL，對照只加緩沖液，31℃水浴處理30 min，用生理鹽水稀釋以終止反應，涂皿分離。統(tǒng)計單菌落個數并計算致死率。

1.2.3 N+注入誘變

選擇經NTG誘變后產率最高的突變株作為出發(fā)菌株，制備菌懸液。取5 mL適量稀釋后的菌懸液和5 mL 30%的甘油混合，搖勻后取0.1 mL均勻涂布于無菌平皿中，由無菌風吹干后進行N+注入，以經過真空處理而不注入離子束的菌株作為對照。該工作在中國科學院合肥分院離子束生物工程重點實驗室進行，選擇注入能量為10keV，注入劑量為(20～80)×1011ions/cm2，靶室真空度為10-3Pa。N+注入完畢后，用1 mL無菌水反復沖洗平板上的菌膜使其混合均勻，然后移取0.1 mL于篩選固體培養(yǎng)基中，31℃倒置培養(yǎng)5～7d，統(tǒng)計單菌落個數并計算致死率。

1.2.4 平板初篩方法

篩選培養(yǎng)基是由無機培養(yǎng)基添加1%的植物甾醇制成的，除了植物甾醇幾乎不含有任何碳源成分，因此只有能夠利用植物甾醇的菌株才能在平板中正常生長。將誘變后的菌懸液各取0.1 mL均勻涂布于篩選培養(yǎng)基中，挑選長勢良好的突變株用于下一級篩選。

1.2.5 搖瓶復篩方法

將初篩出來的菌株逐一接種至種子培養(yǎng)基，培養(yǎng)60 h后以10%的接種量轉接至發(fā)酵培養(yǎng)基中，31℃，250 r/min恒溫培養(yǎng)7 d。利用薄層色譜法初步判斷轉化情況，氣相色譜內標法準確測定產率，來驗證菌體的轉化能力。

1.2.6 遺傳穩(wěn)定性實驗

為了檢測突變菌株的遺傳穩(wěn)定性，將復篩所得到的高產突變株每7 d傳代1次，連續(xù)7代，搖瓶發(fā)酵測定產率。

1.3 發(fā)酵條件研究

發(fā)酵培養(yǎng)基初始 pH 值分別調為6.5、7.0、7.5、8.0、8.5，接種量為10%，于31℃、250 r/min的恒溫搖床培養(yǎng)7 d后測定產率。

確定最佳pH值后，向發(fā)酵培養(yǎng)基中分別接種6%、8%、10%、12%、14%、16%的種子液，于 31℃、250 r/min的恒溫搖床培養(yǎng)7 d后測定產率。

確定最佳pH值和接種量后，調整搖床轉速分別為180 r/min、200 r/min、220 r/min、240 r/min、260 r/min、280 r/min，于31℃恒溫搖床培養(yǎng)7d后測定產率。

1.4 檢測方法

1.4.1 薄層色譜法(TLC)定性分析

用乙酸乙酯以2：1的比例充分萃取發(fā)酵液，9000 r/min離心10 min。取上清液，用定量毛細管取樣5 μL，點于高效G硅膠板。以乙酸乙酯：石油醚=3：7為展開劑展開。展層結束后自然風干薄板，用10%H2SO4為顯色劑噴涂，100℃下加熱顯色至明顯，與標準品比對(見圖1)。

圖1 薄層層析分析圖Fig 1 TLC analysis

1.4.2 氣相色譜內標法(GC)定量檢測

島津GC-2014氣相色譜系統(tǒng):色譜柱為REX-5不銹鋼柱;載氣為N2;載氣流速為1 mL/min;進樣口溫度為300℃，柱溫300℃，F(xiàn)ID檢測器溫度為280℃。含量采用內標法［8］計算，內標物為膽固醇。

相對校正因子的計算:準確稱量相同摩爾量的膽固醇的雄烯二酮標準品，溶于乙酸乙酯中，用20 mL容量瓶定量。進樣得測量結果，計算出相對校正因子。

經計算得出相對校正因子為1.313。

樣品制備:將反應結束后的發(fā)酵液，用2倍體積的乙酸乙酯充分萃取，然后將萃取液旋蒸至少于20 mL，用20 mL容量瓶定量，準確加入與理論產值相同摩爾量的膽固醇標品，進樣得測量結果，計算產品產率。

2 結果與分析

2.1 誘變及篩選結果

2.1.1 NTG誘變結果

統(tǒng)計各劑量組生成的單菌落個數，計算不同劑量組的致死率，并每組隨機挑選一定數量長勢良好的單菌落，以出發(fā)菌株為對照，進行搖瓶發(fā)酵篩選后，得到不同劑量組下的正突變率(高于出發(fā)菌株5%以上)。NTG濃度對雄烯二酮產生菌誘變效果的影響見表1。

表1 NTG誘變處理的致死率和正突變率Table 1 The positive lethal rate and mutant rate after NTG mutation

從表1可以看出，致死率隨著NTG濃度的增加而提高，正突變率先隨著誘變菌株死亡率的增加而提高，又后逐漸降低，在NTG濃度為0.6 mg/mL時，正向突變率最大，此時致死率為75.2%?，F(xiàn)代育種理論認為，誘變的微生物致死率在70%～75%時，能夠得到較好的誘變效果，負突變率較低，能得到大量的正突變菌株。因此確定NTG誘變時的最佳濃度為0.6 mg/mL。

在此基礎上對原始菌株進行多次誘變，共篩選出100株長勢良好的突變菌株，進行搖瓶發(fā)酵實驗，并測定產物產率。結果表明，這100株突變菌株中產率明顯提高的有3株，產率分別為65.5%、60.4%、61.9%。將其中產率最高的突變株連續(xù)傳代7次，產率基本保持不變，證明其遺傳穩(wěn)定性良好，將其編號為Mycobacterium sp.N-1，作為N+注入誘變的出發(fā)菌株。

2.1.2 N+注入誘變

以NTG誘變后得到的最高產菌株Mycobacterium sp.N-1為出發(fā)菌株，進行N+注入誘變。N+注入劑量對雄烯二酮產生菌誘變效果的影響見表2。

表2 N+注入誘變處理后的致死率和正突變率Table 2 The positive lethal rate and mutant rate after N+implantation mutation

從表2可以看出，隨著N+注入劑量的增加，菌株死亡率也逐漸增加，當離子劑量為60×1011ions/cm2時，致死率達到75.2%。因此根據現(xiàn)代育種理論選擇離子強度10keV，離子劑量60×1011ions/cm2作為該菌株的最佳離子注入參數。

在此基礎上對菌株Mycobacterium sp.N-1進行多次誘變，共篩選出100株長勢良好的突變菌株，進行搖瓶發(fā)酵實驗，并測定產物產率。這100株突變菌株中產率明顯提高的有3株，產率分別為86.5%、83.9%、82.0%。將產率最高的突變株編號為Mycobacterium sp.N-2，進行連續(xù)傳代實驗。

2.2 遺傳穩(wěn)定性實驗

對得到的高產菌株N-2進行遺傳穩(wěn)定性考察。具體實驗過程:高產菌株單菌落→種子培養(yǎng)基→搖瓶發(fā)酵測雄烯二酮產率，結果如表3所示。連續(xù)傳代7次后產率比較穩(wěn)定，可見菌株N-2是一株穩(wěn)定高產的雄烯二酮產生菌。

表3 突變株N-2的遺傳穩(wěn)定性實驗結果Table 3 The experimental results of genetic stability for mutation strain N-2

2.3 誘變效果

挑選經N+注入誘變后性狀大、長勢良好的單菌落進行搖瓶發(fā)酵復篩。結果發(fā)現(xiàn)在注入劑量為60×1011ions/cm2的實驗組中篩選得到高產突變株Mycobacterium sp.N-2，其產率與原始菌株相比提高了37.8%。圖2為突變株N-2轉化產物的GC圖譜，可見雄烯二酮出峰時間在8.9 min左右，膽固醇出峰時間在17.9 min左右。另外底物植物甾醇轉化完全，且?guī)缀鯚o副產物生成，這對后續(xù)純化工藝非常有利。而原始菌株在相同的反應時間內并不能將產物轉化完全，并且隨著轉化時間的延長，副產物的量也隨之增加。

圖2 突變株N-2轉化產物的GC圖譜Fig 2 GC chromatograms of mutation strain N-2 bioconversion

2.4 發(fā)酵條件研究結果

2.4.1 初始pH值對發(fā)酵的影響

培養(yǎng)基的pH值對微生物的生命活動有著很大的影響，主要是對酶的活性產生影響。菌體內含有的酶均有其最適pH值，pH值過高或過低都會使其活性降低，甚至有可能導致酶徹底失活而使轉化不能進行。分別考察pH值6.5、7.0、7.5、8.0、8.5時對誘變菌株發(fā)酵過程的影響，實驗結果如圖3。從圖中可知，pH值對菌株轉化能力有較大影響，初始pH值為7.5時最有利于生長和轉化。

圖3 初始pH值對發(fā)酵過程的影響Fig 3 Effect of initial pH on fermentation process

2.4.2 接種量對發(fā)酵的影響

適當的接種量是正常發(fā)酵的關鍵因素。分別考察接種量為6%、8%、10%、12%、14%、16%時對菌株發(fā)酵過程的影響，實驗結果如圖4。從圖中可知，菌株的最適接種量為12%。接種量低于12%，菌體生長較慢，發(fā)酵周期長，在相同的時間內發(fā)酵產率低。接種量高于12%時菌體雖然生長過快，但是過快的菌體生長會導致營養(yǎng)基質和溶氧不足，菌體容易衰老和自溶，反而不利于產物的生物合成。

圖4 接種量對發(fā)酵過程的影響Fig 4 Effect of incubation volume on fermentation process

2.4.3 搖床轉速對發(fā)酵的影響

搖床轉速的大小能夠影響到培養(yǎng)基中通氣量的多少，而分枝桿菌是好氧菌，若供氧不足會影響微生物的生理代謝和產物生成量。分別考察搖床轉速為180 r/min、200 r/min、220 r/min、240 r/min、260 r/min、280 r/min 時對發(fā)酵過程的影響，實驗結果如圖5。從圖中可知，隨著轉速的不斷增加，菌株降解底物的能力也不斷增加。最終確定最適搖床轉速為260 r/min，此時產率最高。

圖5 轉速對發(fā)酵過程的影響Fig 5 Effect of rotating speed on fermentation process

3 結論

目前，雄烯二酮的研究內容集中在尋找新的產雄烯二酮菌株［9］或通過基因工程手段對菌株進行分子改造［10］，或者采用不同的誘變技術進行選育［11］。Olga V Egorova等人利用菌株對抑菌劑的耐受性篩選出一株突變菌株Mycobacterium sp.VKM Ac-1815D，并對其發(fā)酵條件進一步優(yōu)化，將其產率提高到 70%左右［12］。Vrushali Gulla等人［13］利用UV、NTG、絲裂霉素等方法對一株偶發(fā)分枝桿菌進行誘變選育，得到高產菌株Mycobacterium fortuitum subsp.fortuitum NCIM 5239，產率能達到71.3%。本研究采用NTG法與新型誘變育種手段低能N+注入聯(lián)合誘變選育雄烯二酮高產菌株，其中N+注入誘變在分枝桿菌選育中首次應用，并取得了很好的效果，篩選到一株比原始菌株產率提高了將近37.8%的高產突變株Mycobacterium sp.N-2，且遺傳性狀較為穩(wěn)定。同時通過單因素實驗確定高產突變菌株的最佳發(fā)酵條件為初始pH值7.5，接種量12%，搖床轉速260 r/min。實驗證實這兩種誘變方法聯(lián)合應用在分枝桿菌的育種中是切實可行的。

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