王程程,鄭璞*,陳鵬程,楊波
1(工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué)),江蘇 無(wú)錫,214122) 2(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫,214122)
樹(shù)莓酮,又稱為覆盆子酮[1-2],是樹(shù)莓果的主要香氣成分,具有特征性甜果香氣[3-4],存在于樹(shù)莓、黑莓、葡萄和大黃等水果與蔬菜中[5]。覆盆子酮由于其獨(dú)特的香味特性在食品工業(yè)、化妝品工業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)及農(nóng)業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用[6-8]。近年來(lái),有研究發(fā)現(xiàn)覆盆子酮可以作用于脂肪代謝,具有減肥功效[9-10]。現(xiàn)如今覆盆子酮在香料工業(yè)中,已成為僅次于香蘭素的一種具有極高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的香料[11]。
水果中覆盆子酮的含量極低,只有1~4 mg/kg[12],因此從植物中抽提覆盆子酮的成本很高,約為$3 000 /kg[13-14]。目前覆盆子酮的工業(yè)生產(chǎn)主要以化學(xué)合成法為主,但是根據(jù)EC香精指示(88/388/EEC)文件的要求,化學(xué)合成的覆盆子酮并不屬于天然覆盆子酮,這使得其應(yīng)用領(lǐng)域受到一定的限制。近年來(lái)通過(guò)微生物代謝工程合成覆盆子酮的研究逐漸興起[15]。2007年BEEKWILDER等[5]首次構(gòu)建合成覆盆子酮的重組大腸
桿菌,但其產(chǎn)量?jī)H為5 mg/L,并伴有柚皮素等其他物質(zhì)生成。2016年LEE等[16]在酵母菌中構(gòu)建了覆盆子酮的從頭合成途徑,產(chǎn)量為2.8 mg/L,同時(shí)以對(duì)香豆酸為前體生產(chǎn)覆盆子酮的最高產(chǎn)量達(dá)到7.5 mg/L。本文以對(duì)香豆酸為底物,利用源于植物的4-香豆酰輔酶A連接酶(4-coumarate: CoA ligase,4CL1)[16]、芐基丙酮合酶(benzalacetone synthase,BAS)[17]、芐基丙酮還原酶(raspberry ketone/zingerone synthase,RZS1)[18]3個(gè)基因,通過(guò)構(gòu)建重組質(zhì)粒pCDF-4CL1和pET-BAS-RZS1,導(dǎo)入大腸桿菌中異源表達(dá),以提高大腸桿菌工程菌合成覆盆子酮的能力。
1.1.1 菌種和質(zhì)粒(表1)
表1 本研究中所用質(zhì)粒及菌株Table 1 Plasmids and strains used in this study
1.1.2 酶與試劑
PrimeSTAR HS DNA Polymerase、T4 DNA Ligase、QuickCutEcoR I、QuickCutHind III、QuickCutSal I、QuickCutKpn I、QuickCutBgl II均購(gòu)自TaKaRa公司;柱式質(zhì)粒DNA小量抽提試劑盒、柱式DNA膠回收試劑盒、IPTG、硫酸鏈霉素、氨芐青霉素:生工生物工程(上海)股份有限公司;引物的合成以及測(cè)序由金唯智生物科技有限公司完成;SDS-PAGE凝膠快速配置試劑盒:碧云天生物技術(shù)有限公司;標(biāo)準(zhǔn)品底物對(duì)香豆酸(純度≥98%)、中間產(chǎn)物對(duì)羥基亞芐基丙酮(純度≥97%)、產(chǎn)物覆盆子酮(純度≥99%):阿拉丁試劑(上海)有限公司。
1.1.3 培養(yǎng)基
LB培養(yǎng)基(g/L):含胰蛋白胨10,酵母粉5,NaCl 10,pH為7.0。
TB培養(yǎng)基(g/L):胰蛋白胨12,酵母提取物24,甘油5,KH2PO42.31,K2HPO412.54,pH為7.0。
固體培養(yǎng)基在此基礎(chǔ)上添加1.5%瓊脂粉。
相應(yīng)的抗生素(50 mg/L硫酸鏈霉素,100 mg/L氨芐青霉素)。
1.1.4 主要儀器與設(shè)備
小型高速離心機(jī)(Centrifuge 5418),德國(guó)Eppendorf公司;臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)(TGL-20M),上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司;721可見(jiàn)光分光光度計(jì)(JH-12-12),上海菁華科技儀器有限公司;金屬浴(MK-20),杭州奧盛儀器有限公司;超聲破碎儀(92-IIN),寧波新芝生物科技股份有限公司;酶標(biāo)儀(EPOCH2T),美國(guó)伯騰儀器有限公司;PCR儀(Biosafer 9700),賽飛(中國(guó))有限公司。
1.2.1 目的片段的獲得及擴(kuò)增
1.2.2 表達(dá)載體的構(gòu)建
將目的基因4CL1的PCR產(chǎn)物和質(zhì)粒pCDF-DUET-1用快切酶EcoR I與Hind III進(jìn)行雙酶切,純化并回收;將目的基因BAS的PCR產(chǎn)物和質(zhì)粒pET-DUET-1用快切酶EcoR I與Sal I進(jìn)行雙酶切,純化并回收;將酶切的PCR產(chǎn)物和對(duì)應(yīng)的線性質(zhì)粒使用T4連接酶16 ℃過(guò)夜連接。連接產(chǎn)物加入到E.coliJM109的感受態(tài)中,42 ℃熱擊90 s,之后將其放冰中靜置2 min,加入1 mL LB培養(yǎng)基,于37 ℃,110 r/min培養(yǎng)1 h之后,離心收集菌體,并將菌體重懸于100 μL的LB培養(yǎng)基中,分別涂布于含有50 mg/L的硫酸鏈霉素及100 mg/L的氨芐青霉素的LB固體培養(yǎng)基上,37 ℃培養(yǎng)12 h。挑取平板上的單菌落進(jìn)行菌落PCR驗(yàn)證。將驗(yàn)證正確的重組菌株進(jìn)行培養(yǎng),提取重組質(zhì)粒pCDF-4CL1和pET-BAS,并進(jìn)行雙酶切驗(yàn)證,將菌落PCR與雙酶切驗(yàn)證都正確的質(zhì)粒送去測(cè)序。將目的基因RZS1的PCR產(chǎn)物以及質(zhì)粒pET-BAS按照同樣的方法構(gòu)建重組質(zhì)粒PET-BAS-RZS1。重組質(zhì)粒pCDF-4CL1和pET-BAS-RZS1,構(gòu)建圖形如圖1所示。
a-質(zhì)粒pCDF-4CL1;b-質(zhì)粒pET-BAS;c-質(zhì)粒pET-BAS-RZS1圖1 重組質(zhì)粒圖譜Fig.1 Maps of recombinant plasmids
將菌落PCR、雙酶切及測(cè)序驗(yàn)證都正確的重組質(zhì)粒pCDF-4CL1和PET-BAS-RZS1同時(shí)導(dǎo)入到E.coliW3110 (DE3)感受態(tài)細(xì)胞中,涂布于添加50 mg/L硫酸鏈霉素和100 mg/L氨芐青霉素抗性平板,37 ℃培養(yǎng)12 h,之后挑取單菌落進(jìn)行菌落PCR驗(yàn)證,獲得陽(yáng)性克隆,得到重組大腸桿菌。
1.2.3 培養(yǎng)方法
搖瓶培養(yǎng)方法:將-80 ℃甘油管保藏的重組菌株接種在添加50 mg/L硫酸鏈霉素和100 mg/L氨芐青霉素抗性的LB固體平板上分離活化后,挑取單菌落轉(zhuǎn)接至30 mL LB液體培養(yǎng)基中,37 ℃、110 r/min過(guò)夜培養(yǎng)。以體積分?jǐn)?shù)5%的接種量將種子液接種于新鮮的40 mL TB培養(yǎng)基(含有50 mg/L硫酸鏈霉素和100 mg/L氨芐青霉素)中,37 ℃、110 r/min培養(yǎng)到OD600在0.8~1.2范圍時(shí),加入誘導(dǎo)劑IPTG以誘導(dǎo)目的基因表達(dá)。每隔12 h取1次樣,用HPLC檢測(cè)底物對(duì)香豆酸和產(chǎn)物覆盆子酮的含量。所有的搖瓶發(fā)酵設(shè)置3個(gè)平行,取平均值。
分批發(fā)酵培養(yǎng)方法:將-80 ℃甘油管保藏的重組菌株接種在添加50 mg/L硫酸鏈霉素和100 mg/L氨芐青霉素抗性的LB固體平板上劃線活化后,挑取單菌落轉(zhuǎn)接至30 mL LB液體培養(yǎng)基中,37 ℃、110 r/min搖瓶過(guò)夜培養(yǎng)。以2%(體積分?jǐn)?shù))接種量將活化后的菌種轉(zhuǎn)接于75 mL LB液體培養(yǎng)基中,37 ℃、110 r/min培養(yǎng)8 h作為種子液,以5%(體積分?jǐn)?shù))的接種量接種于3 L發(fā)酵罐中(裝液量為1.5 L;TB培養(yǎng)基)。發(fā)酵條件如下:攪拌轉(zhuǎn)速隨溶氧變化,溶氧保持在20%~30%,通氣量1 vvm,體積分?jǐn)?shù)25%的氨水和25%的硫酸維持發(fā)酵液的pH為7.0。每隔2~3 h取1次樣,測(cè)量OD600、殘?zhí)羌暗孜飳?duì)香豆酸和產(chǎn)物覆盆子酮的含量。
分批補(bǔ)料發(fā)酵培養(yǎng)方法:前期種子液的培養(yǎng)方式如分批發(fā)酵培養(yǎng)方法,發(fā)酵罐上培養(yǎng)方法有所變化,其發(fā)酵條件如下:攪拌轉(zhuǎn)速隨溶氧變化,溶氧保持在20%~30%,通氣量 1 vvm,體積分?jǐn)?shù)25%的氨水和25%的硫酸維持發(fā)酵液的pH為7.0。每隔2~3 h取一次樣,測(cè)量OD600、殘?zhí)羌暗孜飳?duì)香豆酸和產(chǎn)物覆盆子酮的含量,每當(dāng)葡萄糖消耗完時(shí)一次性補(bǔ)加20 g/L左右的葡萄糖。
1.2.4 重組菌株搖瓶發(fā)酵條件優(yōu)化
起始誘導(dǎo)時(shí)間優(yōu)化:將過(guò)夜培養(yǎng)的種子液以5%的接種量接種至40 mL新鮮的TB培養(yǎng)基(含有50 mg/L硫酸鏈霉素和100 mg/L氨芐青霉素)中,37 ℃、110 r/min培養(yǎng)1、1.25、1.5、1.75、2、2.25及2.5 h時(shí)加入終濃度為1 mmol/L的IPTG及終質(zhì)量濃度為300 mg/L的底物對(duì)香豆酸,在20 ℃、110 r/min條件下誘導(dǎo)目的基因表達(dá),培養(yǎng)72 h發(fā)酵結(jié)束,取樣,HPLC檢測(cè)產(chǎn)物覆盆子酮的產(chǎn)量。
IPTG濃度優(yōu)化:將過(guò)夜培養(yǎng)的種子液以5%(體積分?jǐn)?shù))的接種量接種至40 mL新鮮的TB培養(yǎng)基(50 mg/L硫酸鏈霉素和100 mg/L氨芐青霉素)中,37 ℃、110 r/min培養(yǎng)2 h時(shí)加入終濃度分別為0.2、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5 mmol/L的IPTG及終質(zhì)量濃度為300 mg/L的底物對(duì)香豆酸,在20 ℃、110 r/min條件下誘導(dǎo)目的基因表達(dá),培養(yǎng)72 h發(fā)酵結(jié)束,取樣,HPLC檢測(cè)產(chǎn)物覆盆子酮的產(chǎn)量。
誘導(dǎo)溫度優(yōu)化:將過(guò)夜培養(yǎng)的種子液以5%(體積分?jǐn)?shù))的接種量接種至40 mL新鮮的TB培養(yǎng)基(50 mg/L硫酸鏈霉素和100 mg/L氨芐青霉素)中,37 ℃、110 r/min培養(yǎng)2 h時(shí)加入0.8 mmol/L的IPTG以及終質(zhì)量濃度為300 mg/L的底物對(duì)香豆酸,分別放到16、20、25、30及37 ℃條件下誘導(dǎo)目的基因表達(dá),培養(yǎng)72 h發(fā)酵結(jié)束,取樣,HPLC檢測(cè)產(chǎn)物覆盆子酮的產(chǎn)量。
1.2.5 底物及代謝產(chǎn)物的定量檢測(cè)
采用高效液相色譜(HPLC)檢測(cè)方法。
紫外檢測(cè)方法:取1 mL發(fā)酵液12 000 r/min離心5 min,之后取500 μL上清液與等體積的甲醇混合,12 000 r/min離心5 min,用0.22 μm的濾膜過(guò)濾,HPLC(Waters)定量檢測(cè)底物對(duì)香豆酸和產(chǎn)物覆盆子酮。具體檢測(cè)條件:色譜柱為AmethystC18-H(4.6 mm×250 mm, 5 μm)反相色譜柱,檢測(cè)波長(zhǎng)222 nm,柱溫35 ℃,流動(dòng)相為V(乙腈)∶V(0.1%磷酸)=2∶8,進(jìn)樣量為20 μL,流速1 mL/min。
示差檢測(cè)方法:取1 mL發(fā)酵液12 000 r/min離心5 min,用0.22 μm的濾膜過(guò)濾,HPLC(Waters)定量檢測(cè)代謝產(chǎn)物乙酸。具體檢測(cè)條件:色譜柱為Carbomix H-NP 10∶8%(7.8 mm×300 mm, 10 μm)反相色譜柱,柱溫55 ℃,流動(dòng)相為3.3 mmol/L硫酸,流速0.5 mL/min,進(jìn)樣量10 μL,流速0.5 mL/min。
以合成的4CL1,BAS和RZS1基因?yàn)槟0?,采用引?CL1F、4CL1R, BASF、BASR, RZS1F、RZS1R進(jìn)行目的片段的擴(kuò)增,得到相應(yīng)的PCR產(chǎn)物,并用核酸電泳表示其大小。目的基因4CL1大小為1 686 bp,BAS為1 155 bp,RZS1為1047 bp,如圖2所示。圖2-a所示的目的條帶大小約為1 600 bp,與4CL1大小吻合,圖2-b所示的目的條帶大小約為1 100 bp,與BAS大小相吻合,圖2-c所示的目的條帶大小約為1 000 bp,與RZS1大小吻合。
a-4CL1基因;b-BAS基因;c-RZS1基因圖2 PCR擴(kuò)增結(jié)果電泳Fig.2 Electrophoretograms of PCR products
將重組質(zhì)粒pCDF-4CL1和質(zhì)粒pET-BAS-RZS1分別導(dǎo)入到E.coliJM109的感受態(tài)中,進(jìn)行菌落PCR驗(yàn)證,挑取陽(yáng)性克隆,培養(yǎng),提取質(zhì)粒,使用EcoR I與Hind III對(duì)重組質(zhì)粒pCDF-4CL1進(jìn)行雙酶切驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果如圖3-a所示,其目標(biāo)條帶在1 000 bp與2 000 bp之間,與已知4CL1大小1 686 bp位置相符合;分別使用EcoR I、Sal I,Bgl II、Kpn I及EcoR I、Kpn I對(duì)重組質(zhì)粒pET-BAS-RZS1進(jìn)行酶切驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果如圖3-b所示。
a-質(zhì)粒pCDF-4CL1雙酶切驗(yàn)證核酸膠圖;b-質(zhì)粒pET-BAS-RZS1雙酶切驗(yàn)證膠圖;a-中泳道1中1 500~2 000 bp中間的條帶表示4CL1基因;b中泳道1中1 000 bp左右的條帶表示RZS1基因,泳道2中1 000~1 500 bp中間的條帶表示BAS基因,泳道3中2 000~3 000 bp中間的條帶表示RZS1與BAS的基因長(zhǎng)度之和圖3 重組質(zhì)粒酶切驗(yàn)證Fig.3 Identification of recombinant plasmids by digestion with restriction endonuclease
由圖3-b可知,其1、2泳道的目標(biāo)條帶都在1 000 bp與2 000 bp之間,與已知RZS1、BAS大小位置相符合,3泳道的目的條帶在2 000 bp與3 000 bp之間,與BAS和RZS1相加的大小位置相符;將驗(yàn)證正確的重組質(zhì)粒pCDF-4CL1和pET-BAS-RZS1進(jìn)行測(cè)序驗(yàn)證,并將測(cè)序正確的質(zhì)粒pCDF-4CL1和pET-BAS-RZS1同時(shí)轉(zhuǎn)入感受態(tài)E.coliW3110 (DE3)中,以獲得重組菌株WCC-1。
首先確定重組菌株WCC-1開(kāi)始誘導(dǎo)的最佳時(shí)間,接種1 h后開(kāi)始添加誘導(dǎo)劑IPTG,起始誘導(dǎo)時(shí)間范圍為1~2.5 h,其中時(shí)間間隔為15 min,誘導(dǎo)到72 h后發(fā)酵結(jié)束,取上清液按照1.2.5所述的方法檢測(cè)覆盆子酮的含量,發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)2 h時(shí)添加IPTG,可以獲得最大的覆盆子酮產(chǎn)量,為91.55 mg/L,其結(jié)果如圖4。
圖4 起始誘導(dǎo)時(shí)間對(duì)覆盆子酮產(chǎn)量的影響Fig.4 Effect of culture age on the production of raspberryketone
在最佳起始誘導(dǎo)時(shí)間的基礎(chǔ)上確定誘導(dǎo)劑IPTG的最適濃度,使IPTG濃度變化從0到1.5 mmol/L設(shè)置梯度變化,誘導(dǎo)到72 h后發(fā)酵結(jié)束,取上清液按照1.2.5所述的方法檢測(cè)覆盆子酮的含量,如圖5。發(fā)現(xiàn)隨IPTG濃度的增加,覆盆子酮的產(chǎn)量增加。當(dāng)IPTG濃度為0.8 mmol/L時(shí),覆盆子酮的產(chǎn)量達(dá)到最高,為95.59 mg/L,之后再增加誘導(dǎo)劑IPTG的用量對(duì)覆盆子酮的產(chǎn)量并無(wú)明顯的提高作用,且考慮到經(jīng)濟(jì)因素最終確定最適IPTG濃度為0.8 mmol/L。
圖5 不同IPTG濃度對(duì)覆盆子酮產(chǎn)量的影響Fig.5 Effect of IPTG concentration on the production of raspberry ketone
在一定溫度范圍內(nèi),過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致蛋白快速表達(dá),折疊出錯(cuò),易形成包涵體,但過(guò)低的溫度又會(huì)影響菌體的生長(zhǎng),從而影響產(chǎn)物產(chǎn)量,因此誘導(dǎo)溫度在蛋白表達(dá)過(guò)程中起關(guān)鍵性的作用。如圖6所示,在最佳起始誘導(dǎo)時(shí)間和最適誘導(dǎo)劑IPTG添加量條件下,在16~37 ℃范圍內(nèi)設(shè)置了5個(gè)溫度梯度,當(dāng)誘導(dǎo)溫度為30 ℃時(shí),覆盆子酮的產(chǎn)量最高,達(dá)到了125.86 mg/L,而且可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)誘導(dǎo)溫度為37 ℃時(shí),覆盆子酮的產(chǎn)量急劇下降,證明誘導(dǎo)溫度確實(shí)對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)量有非常大的影響。
圖6 不同誘導(dǎo)溫度對(duì)覆盆子酮產(chǎn)量的影響Fig.5 Effect of induction temperature on the production of raspberry ketone
2.3.1 重組菌株WCC-1分批發(fā)酵
按照1.2.3中所示的分批發(fā)酵培養(yǎng)方法,接種后37 ℃培養(yǎng)至OD600為6~8時(shí),將發(fā)酵溫度降到30 ℃,加入500 mg/L的底物對(duì)香豆酸以及0.8 mmol/L IPTG誘導(dǎo)目的基因表達(dá),發(fā)酵結(jié)果如圖7所示。
圖7 重組菌株WCC-1分批發(fā)酵Fig.7 Batch fermentation of recombinant strain WCC-1
加入誘導(dǎo)劑后覆盆子酮開(kāi)始積累,接種7 h后葡萄糖耗盡,同時(shí)細(xì)胞開(kāi)始以已經(jīng)積累的乙酸作為碳源,發(fā)酵20 h之后葡萄糖和乙酸全部消耗完,OD600基本保持在22左右,在45 h時(shí)覆盆子酮的產(chǎn)量達(dá)到最大,為78.38 mg/L。LIM等[17]研究重組大腸桿菌合成白藜蘆醇時(shí),發(fā)現(xiàn)通過(guò)添加淺藍(lán)菌素抑制脂肪的合成,增加胞內(nèi)丙二酰CoA的含量,從而使得白藜蘆醇的產(chǎn)量提高了2倍,說(shuō)明了前體物質(zhì)丙二酰CoA的重要性。丙二酰CoA也是重組大腸桿菌合成覆盆子酮的前體之一,分批發(fā)酵產(chǎn)量低于搖瓶產(chǎn)量的原因,一方面可能是由于乙酸的產(chǎn)生消耗了部分乙酰CoA,使得合成覆盆子酮的前體物質(zhì)丙二酰CoA的供給不足;另一方面,也有可能是發(fā)酵罐中菌體生長(zhǎng)優(yōu)于搖瓶發(fā)酵,葡萄糖供給相對(duì)不足,造成覆盆子酮的產(chǎn)量較低。
2.3.2 重組菌株WCC-1補(bǔ)料分批發(fā)酵
種子液制備及罐上培養(yǎng)方法同2.3.1中所述的分批發(fā)酵培養(yǎng)方法,補(bǔ)料分批發(fā)酵結(jié)果如圖8所示,接種后6 h時(shí)葡萄糖耗盡,開(kāi)始進(jìn)行一次性補(bǔ)料(20 g/L葡萄糖),此時(shí)每當(dāng)葡萄糖耗盡就進(jìn)行補(bǔ)料,一共補(bǔ)料6次,菌體量在51 h時(shí)達(dá)到最大,之后開(kāi)始緩慢下降,說(shuō)明細(xì)胞生長(zhǎng)進(jìn)入衰亡期。在這一階段,葡萄糖和乙酸都已耗盡,覆盆子酮產(chǎn)量增速也趨于平緩,在68 h時(shí),產(chǎn)物覆盆子酮的產(chǎn)量達(dá)到峰值,為178.13 mg/L,較分批發(fā)酵提高2.27倍。
圖8 重組菌株WCC-1補(bǔ)料分批發(fā)酵Fig.8 Fed batch fermentation of recombinant strain WCC-1
通過(guò)在大腸桿菌W3110(DE3)中引入來(lái)源于植物的4-香豆酰輔酶A連接酶(4CL1)、芐基丙酮合酶(BAS)和芐基丙酮還原酶(RZS1)基因,成功構(gòu)建了重組菌株WCC-1。通過(guò)對(duì)起始誘導(dǎo)時(shí)間、誘導(dǎo)劑IPTG濃度、誘導(dǎo)溫度的優(yōu)化,該菌株搖瓶發(fā)酵產(chǎn)覆盆子酮質(zhì)量濃度可達(dá)125.86 mg/L。在3 L發(fā)酵罐上進(jìn)行補(bǔ)料分批發(fā)酵,覆盆子酮質(zhì)量濃度提高到178.13 mg/L,較目前已報(bào)道的微生物產(chǎn)覆盆子酮的最高產(chǎn)量(7.5 mg/L)顯著提高,并展現(xiàn)了微生物發(fā)酵生產(chǎn)樹(shù)莓酮的應(yīng)用前景。