重組大腸桿菌高密度發(fā)酵工藝進展及研究

王艷俠 楊珺 王飛

(天津紅日金博達生物技術(shù)有限公司 天津 300457)

在對各類細菌進行研究的過程中可以看出,大腸桿菌本身的結(jié)構(gòu)和基因組成都相對簡單,并且具有生長周期短、培養(yǎng)條件要求較低等優(yōu)勢,因此在對重組蛋白進行表達的過程中,經(jīng)常會選擇大腸桿菌作為發(fā)酵菌種。而這也就為人類提供了很多的基因產(chǎn)物,使得人類的各類技術(shù)得到了相應(yīng)的提高。

1 高密度發(fā)酵技術(shù)的概述

高密度發(fā)酵技術(shù)就是指在特定的培養(yǎng)體系之下,利用改變培養(yǎng)方式或培養(yǎng)條件的方法,提升所培養(yǎng)的菌群的發(fā)酵密度,進而提升相應(yīng)產(chǎn)物的生產(chǎn)量。這種培養(yǎng)方式是基于目前先進的發(fā)酵技術(shù),利用多種方式提升產(chǎn)物的產(chǎn)量,將其應(yīng)用在大腸桿菌重組蛋白的發(fā)酵培養(yǎng)過程中,能夠有效提升相關(guān)重組蛋白的合成量,減少培養(yǎng)體積,同時還可以提高分離提取的純度,較大程度的縮短了生產(chǎn)的周期。這樣,從側(cè)面降低了相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)成本,并提升了生產(chǎn)的效率。

2 重組大腸桿菌高密度發(fā)酵工藝的進展研究

2.1 宿主菌類型

不同種類的大腸桿菌其對于生長條件的要求、代謝副產(chǎn)物種類以及對外源基因的表達能力都存在著一定的差異,因此,在工業(yè)發(fā)酵的過程中,對于宿主菌類型的選擇是非常重要的。現(xiàn)代相關(guān)生物學(xué)家對于宿主菌的改良投入了大量的經(jīng)歷,其發(fā)現(xiàn)在發(fā)酵過程中,乙酸是主要抑制重組蛋白合成的主要代謝副產(chǎn)物,其對于相關(guān)發(fā)酵過程中產(chǎn)品的生產(chǎn)量有著直接的影響。因此,相關(guān)研究者就利用Co對宿主菌進行誘變,使其成為對乙酸具有高耐受性的耐乙酸型大腸桿菌。經(jīng)過試驗檢驗表明,這種細菌在高密度發(fā)酵中能夠?qū)l(fā)酵濃度提高5%以上,菌落的生長比率可以提高27%,其對于重組蛋白的表達能力提升了50%以上,而大腸桿菌本身產(chǎn)生的乙酸濃度降低了60%以上。

2.2 培養(yǎng)基組成

培養(yǎng)基是培養(yǎng)大腸桿菌的主要場所,根據(jù)其功能的不同分為3類,主要包括合成、半合成以及復(fù)合型培養(yǎng)基。在目前我國的重組大腸桿菌高密度發(fā)酵過程中所使用的均是半合成培養(yǎng)基,這種培養(yǎng)基是在合成型培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上衍變而來的,其主要是添加了各類促進大腸桿菌細胞生長、代謝合成等的物質(zhì),主要包括碳、氮、無機鹽、氨基酸以及維生素等。相比于合成型培養(yǎng)基,半合成培養(yǎng)基中這些物質(zhì)的含量是其數(shù)倍甚至十數(shù)倍,這樣更加有利于大腸桿菌的高密度發(fā)酵。但根據(jù)現(xiàn)代科學(xué)研究表明,培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分含量不能過高,適宜劑量的營養(yǎng)成分能夠有效提高大腸桿菌的生長和代謝,但是濃度過高的營養(yǎng)成分就可能會反過來抑制其生長,降低產(chǎn)量。

2.3 碳源

生物體的主要組成元素就是碳,因此,在對大腸桿菌進行高密度發(fā)酵時就需要為其補充適量的碳源,一般采用的碳源補充劑為糖類、油脂以及[A1]蛋白胨等。其中葡萄糖是目前應(yīng)用最為廣泛的碳源,其能夠有效提升大腸桿菌的生長速度,并且自身特異性較低,不會影響到測定工作。但是葡萄糖的添加量不能過高,否則會促進大腸桿菌對于乙酸的代謝和合成,抑制發(fā)酵產(chǎn)物的生成。

2.4 無機鹽

無機鹽離子是生物維持自身新陳代謝的重要元素,一般以鈣離子、鎂離子、鉀離子以及鈉離子等為主,因此在對大腸桿菌進行高密度發(fā)酵時,也需要為其補充適量的無機鹽離子。根據(jù)現(xiàn)代研究表明,在生產(chǎn)腫瘤壞死因子時,磷酸鹽的濃度對大腸桿菌濃度的影響較大,當磷酸根處于0.15M時,對于大腸桿菌的生長密度和重組蛋白的表達量的影響最好。當濃度過低時,則會導(dǎo)致大腸桿菌生長緩慢;而當濃度過高時,則可能會導(dǎo)致大腸桿菌生長周期縮短,出現(xiàn)過早死亡的情況,影響重組蛋白的表達。

2.5 誘導(dǎo)劑的選擇

目前,在高密度發(fā)酵過程中常用的誘導(dǎo)劑是ITPG,但是這種誘導(dǎo)劑本身的價格較為昂貴,同時其對于人體具有著較大的毒性,因此在大規(guī)模針對于人體用生物產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中起到的作用較低。但是根據(jù)研究顯示,利用乳糖可以有效對ITPG進行代替,雖然乳糖的誘導(dǎo)反應(yīng)較為復(fù)雜,并且誘導(dǎo)效果較差,但是其價格便宜,并且對于人體沒有毒副作用,因此能夠被應(yīng)用于大規(guī)模針對人體用生物產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中。

2.6 抑制性代謝產(chǎn)物的影響

大腸桿菌在新陳代謝過程中會產(chǎn)生一些代謝產(chǎn)物,其對于大腸桿菌本身重組蛋白的表達具有著一定的抑制作用,其主要就是有機酸類和二氧化碳。二氧化碳作為一種對不含葉綠素生物具有極強毒性的物質(zhì),其能夠降低大腸桿菌的氧化作用,同時增加反應(yīng)環(huán)境內(nèi)碳源的含量。而有機酸中的乙酸對于大腸桿菌的毒害較大,能夠擾亂大腸桿菌細胞的正常代謝活動。

3 結(jié)語

我國現(xiàn)代重組大腸桿菌高密度發(fā)酵工藝已經(jīng)取得了較大的發(fā)展,并且針對于發(fā)酵過程中的六大類影響因素,我國科研人員已經(jīng)研究出了解決方法,大大提升了我國生物產(chǎn)品的產(chǎn)量。

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