本發(fā)明屬于基因工程,涉及一種提高酵母菌中乙醇到乙酰輔酶a轉化率的方法、工程菌及在生產(chǎn)3-羥基丙酸中的應用。
背景技術:
1、工程菌株在放大生產(chǎn)過程中生產(chǎn)性能的不穩(wěn)定性一直是阻礙工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)的關鍵性問題。為了實現(xiàn)目標產(chǎn)物的過量生產(chǎn),通常需要在工程菌中人工引入外源代謝途徑和強化相關的內(nèi)源代謝途徑。然而,這些改造不可避免地對細胞造成生長和代謝上的壓力。而在工業(yè)放大生產(chǎn)過程中,細胞傾向于通過各種代謝相互作用,限制過量生產(chǎn)目標產(chǎn)物的能力,用以緩解代謝壓力,促進細胞生長,進而導致生產(chǎn)性狀的弱化或丟失。
2、細胞工廠設計中的正交化是指通過工程改造,使某一個特定分子或基因線路的功能不受細胞內(nèi)環(huán)境的多余影響且不對環(huán)境施加多余影響。正交化改造可以使生產(chǎn)的代謝途徑與細胞底盤代謝之間的相互作用節(jié)點降到最少,從而使生產(chǎn)途徑作為一個相對獨立模塊,使其受到細胞正常生長代謝的干擾降到最小,從而保持生產(chǎn)性能的穩(wěn)定性。此外,通過正交化改造,也可以減少底物到前體的旁路代謝,從而可以實現(xiàn)轉化率的最大化。
3、3-羥基丙酸(3-hp)是一種高附加值化學品,在醫(yī)療、個人護理、涂料、膠黏劑、紡織、食品、飼料等領域具有巨大的應用價值。隨著工業(yè)化進程加快,3-hp市場需求正日益增加,據(jù)估計,2025年,全球3-羥基丙酸的市場需求量將達100億美元。合成技術是制約3-hp規(guī)?;瘧玫闹匾蛩兀?-hp合成技術包括化學合成法、生物合成法兩大類,其中化學合成法是目前主流生產(chǎn)工藝,但化學合成法存在工藝復雜、污染嚴重等問題。近年來,基于工程微生物的3-hp合成技術成為國內(nèi)外高??蒲嘘P注的焦點,但利用生物合成法生產(chǎn)3-hp依然存在菌株生產(chǎn)效率低,穩(wěn)定性差等問題。
4、綜上所述,如何開發(fā)高效、穩(wěn)定的工程菌株仍是3-hp生物合成領域亟需解決的問題之一。
技術實現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術的不足和實際需求,本發(fā)明提供一種提高酵母菌中乙醇到乙酰輔酶a轉化率的方法、工程菌及其在生產(chǎn)3-羥基丙酸中的應用,以期獲得高效、穩(wěn)定生產(chǎn)3-hp的工程菌株。
2、為達此目的,本發(fā)明采用以下技術方案:
3、第一方面,本發(fā)明提供一種利用葡萄糖和乙醇雙碳源穩(wěn)定生產(chǎn)3-羥基丙酸的酵母工程菌,所述工程菌缺失pfk1和pfk2基因;所述工程菌還過表達mutacc1、mcrc、mcrn、zwf1、gnd1、tal1、rki1、rpe1、tkl1和以及融合的cagapdh和pos5基因。
4、本發(fā)明中,基于代謝途徑正交化策略,設計提高酵母細胞中乙醇到乙酰輔酶a及其下游代謝產(chǎn)物轉化效率的菌株改造方法,構建生產(chǎn)3-hp的工程酵母菌株,實現(xiàn)了3-hp在酵母中的穩(wěn)定合成,為生物法生產(chǎn)3-hp提供新思路。
5、優(yōu)選地,所述工程菌還缺失cit2和icl1基因。
6、優(yōu)選地,所述工程菌還過表達ada基因。
7、優(yōu)選地,所述工程菌還缺失ald2、ald3、ald4、ald5和ald6基因。
8、優(yōu)選地,所述工程菌還缺失acs1、acs2和ach1基因。
9、優(yōu)選地,所述工程菌還缺失yat1、yat2、crc1和cat2基因。
10、本發(fā)明中,基于構建的穩(wěn)定合成3-hp的工程菌,進一步進行乙醇到3-hp高效轉化途徑的改造,包括以下至少一種:(1)敲除cit2和icl1基因;(2)過表達ada基因;(3)敲除ald2、ald3、ald4、ald5和ald6基因;(4)敲除acs1、acs2和ach1基因;(5)敲除yat1和yat2、crc1和cat2基因;均能夠進一步提高3-hp的產(chǎn)量。
11、優(yōu)選地,所述工程菌的出發(fā)菌株包括釀酒酵母(saccharomyces?cerevisiae)。
12、可以理解,本發(fā)明基于釀酒酵母對乙醇到乙酰輔酶a的代謝途徑進行系統(tǒng)梳理和改造,具有相似基因組和代謝網(wǎng)絡的酵母菌種理論上均適用于本發(fā)明,可選地,包括釀酒酵母imx581等等。
13、可選地,mutacc1基因核酸序列如seq?id?no.1所示,mcrc基因核酸序列如seq?idno.2所示,mcrn基因核酸序列如seq?id?no.3所示,cagapdh基因核酸序列如seq?id?no.4所示,ada基因核酸序列如seq?id?no.5所示。
14、seq?id?no.1(mutacc1):
15、atgagcgaagaaagcttattcgagtcttctccacagaagatggagtacgaaattacaaactactcagaaagacatacagaacttccaggtcatttcattggcctcaatacagtagataaactagaggagtccccgttaagggactttgttaagagtcacggtggtcacacggtcatatccaagatcctgatagcaaataatggtattgccgccgtgaaagaaattagatccgtcagaaaatgggcatacgagacgttcggcgatgacagaaccgtccaattcgtcgccatggccaccccagaagatctggaggccaacgcagaatatatccgtatggccgatcaatacattgaagtgccaggtggtactaataataacaactacgctaacgtagacttgatcgtagacatcgccgaaagagcagacgtagacgccgtatgggctggctggggtcacgcctccgagaatccactattgcctgaaaaattgtcccagtctaagaggaaagtcatctttattgggcctccaggtaacgccatgaggtctttaggtgataaaatctcctctaccattgtcgctcaaagtgctaaagtcccatgtattccatggtctggtaccggtgttgacaccgttcacgtggacgagaaaaccggtctggtctctgtcgacgatgacatctatcaaaagggttgttgtacctctcctgaagatggtttacaaaaggccaagcgtattggttttcctgtcatgattaaggcatccgaaggtggtggtggtaaaggtatcagacaagttgaacgtgaagaagatttcatcgctttataccaccaggcagccaacgaaattccaggctcccccattttcatcatgaagttggccggtagagcgcgtcacttggaagttcaactgctagcagatcagtacggtacaaatatttccttgttcggtagagactgttccgttcagagacgtcatcaaaaaattatcgaagaagcaccagttacaattgccaaggctgaaacatttcacgagatggaaaaggctgccgtcagactggggaaactagtcggttatgtctctgccggtaccgtggagtatctatattctcatgatgatggaaaattctactttttagaattgaacccaagattacaagtcgagcatccaacaacggaaatggtctccggtgttaacttacctgcagctcaattacaaatcgctatgggtatccctatgcatagaataagtgacattagaactttatatggtatgaatcctcattctgcctcagaaatcgatttcgaattcaaaactcaagatgccaccaagaaacaaagaagacctattccaaagggtcattgtaccgcttgtcgtatcacatcagaagatccaaacgatggattcaagccatcgggtggtactttgcatgaactaaacttccgttcttcctctaatgtttggggttacttctccgtgggtaacaatggtaatattcactccttttcggactctcagttcggccatatttttgcttttggtgaaaatagacaagcttccaggaaacacatggttgttgccctgaaggaattgtccattaggggtgatttcagaactactgtggaatacttgatcaaacttttggaaactgaagatttcgaggataacactattaccaccggttggttggacgatttgattactcataaaatgaccgctgaaaagcctgatccaactcttgccgtcatttgcggtgccgctacaaaggctttcttagcatctgaagaagcccgccacaagtatatcgaatccttacaaaagggacaagttctatctaaagacctactgcaaactatgttccctgtagattttatccatgagggtaaaagatacaagttcaccgtagctaaatccggtaatgaccgttacacattatttatcaatggttctaaatgtgatatcatactgcgtcaactagctgatggtggtcttttgattgccataggcggtaaatcgcataccatctattggaaagaagaagttgctgctacaagattatccgttgactctatgactactttgttggaagttgaaaacgatccaacccagttgcgtactccatcccctggtaaattggttaaattcttggtggaaaatggtgaacacattatcaagggccaaccatatgcagaaattgaagttatgaaaatgcaaatgcctttggtttctcaagaaaatggtatcgtccagttattaaagcaacctggttctaccattgttgcaggtgatatcatggctattatgactcttgacgatccatccaaggtcaagcacgctctaccatttgaaggtatgctgccagattttggttctccagttatcgaaggaaccaaacctgcctataaattcaagtcattagtgtctactttggaaaacattttgaagggttatgacaaccaagttattatgaacgcttccttgcaacaattgatagaggttttgagaaatccaaaactgccttactcagaatggaaactacacatctctgctttacattcaagattgcctgctaagctagatgaacaaatggaagagttagttgcacgttctttgagacgtggtgctgttttcccagctagacaattaagtaaattgattgatatggccgtgaagaatcctgaatacaaccccgacaaattgctgggcgccgtcgtggaaccattggcggatattgctcataagtactctaacgggttagaagcccatgaacattctatatttgtccatttcttggaagaatattacgaagttgaaaagttattcaatggtccaaatgttcgtgaggaaaatatcattctgaaattgcgtgatgaaaaccctaaagatctagataaagttgcgctaactgttttgtctcattcgaaagtttcagcgaagaataacctgatcctagctatcttgaaacattatcaaccattgtgcaagttatcttctaaagtttctgccattttctctactcctctacaacatattgttgaactagaatctaaggctaccgctaaggtcgctctacaagcaagagaaattttgattcaaggcgctttaccttcggtcaaggaaagaactgaacaaattgaacatatcttaaaatcctctgttgtgaaggttgcctatggctcatccaatccaaagcgctctgaaccagatttgaatatcttgaaggacttgatcgattctaattacgttgtgttcgatgttttacttcaattcctaacccatcaagacccagttgtgactgctgcagctgctcaagtctatattcgtcgtgcttatcgtgcttacaccataggagatattagagttcacgaaggtgtcacagttccaattgttgaatggaaattccaactaccttcagctgcgttctccacctttccaactgttaaatctaaaatgggtatgaacagggctgttgctgtttcagatttgtcatatgttgcaaacagtcagtcatctccgttaagagaaggtattttgatggctgtggatcatttagatgatgttgatgaaattttgtcacaaagtttggaagttattcctcgtcaccaatcttcttctaacggacctgctcctgatcgttctggtagctccgcatcgttgagtaatgttgctaatgtttgtgttgcttctacagaaggtttcgaatctgaagaggaaattttggtaaggttgagagaaattttggatttgaataagcaggaattaatcaatgcttctatccgtcgtatcacatttatgttcggttttaaagatgggtcttatccaaagtattatacttttaacggtccaaattataacgaaaatgaaacaattcgtcacattgagccggctttggccttccaactggaattaggaagattgtccaacttcaacattaaaccaattttcactgataatagaaacatccatgtctacgaagctgttagtaagacttctccattggataagagattctttacaagaggtattattagaacgggtcatatccgtgatgacatttctattcaagaatatctgacttctgaagctaacagattgatgagtgatatattggataatttagaagtcaccgacacttcaaattctgatttgaatcatatcttcatcaacttcattgcggtgtttgatatctctccagaagatgtcgaagccgccttcggtggtttcttagaaagatttggtaagagattgttgagattgcgtgtttcttctgccgaaattagaatcatcatcaaagatcctcaaacaggtgccccagtaccattgcgtgccttgatcaataacgtttctggttatgttatcaaaacagaaatgtacaccgaagtcaagaacgcaaaaggtgaatgggtatttaagtctttgggtaaacctggatccatgcatttaagacctattgctactccttaccctgttaaggaatggttgcaaccaaaacgttataaggcacacttgatgggtaccacatatgtctatgacttcccagaattattccgccaagcatcgtcatcccaatggaaaaatttctctgcagatgttaagttaacagatgatttctttatttccaacgagttgattgaagatgaaaacggcgaattaactgaggtggaaagagaacctggtgccaacgctattggtatggttgcctttaagattactgtaaagactcctgaatatccaagaggccgtcaatttgttgttgttgctaacgatatcacattcaagatcggttcctttggtccacaagaagacgaattcttcaataaggttactgaatatgctagaaagcgtggtatcccaagaatttacttggctgcaaactcaggtgccagaattggtatggctgaagagattgttccactatttcaagttgcatggaatgatgctgccaatccggacaagggcttccaatacttatacttaacaagtgaaggtatggaaacttt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16、seq?id?no.2:(mcrc)
17、atgtccgctaccactggtgctagatctgcatcagttggttgggctgaaagtttgatcggtttgcatttgggtaaagtcgcattgatcacaggtggttccgccggtatcggtggtcaaattggtagattgttagcattaagtggtgccagagttatgttggcagccagagatagacataagttagaacaaatgcaagctatgattcaatcagaattggcagaagttggttacactgatgttgaagacagagtccacatagctccaggttgcgatgtctcttcagaagcccaattggctgacttagtagaaagaactttgtctgctttcggtacagttgattatttgattaataacgcaggtatagccggtgtagaagaaatggttatagatatgcctgttgaaggttggagacatacattgttcgcaaatttgatctccaactacagtttgatgagaaagttggctccattaatgaaaaagcaaggttccggttacatattgaacgtttccagttacttcggtggtgaaaaagatgctgcaataccatatcctaacagagctgactacgcagtctctaaggcaggtcaaagagcaatggccgaagtatttgctagattcttaggtcctgaaatccaaattaatgctattgcaccaggtcctgttgaaggtgacagattaagaggtactggtgaaagaccaggtttgtttgccagaagagctagattgatcttggaaaataagagattgaacgaattacatgccgctttgattgcagccgctagaacagatgaaagatctatgcacgaattagtagaattgttgttgcctaatgacgttgcagccttggaacaaaaccctgctgcaccaactgccttgagagaattagctagaagattcagatctgaaggtgacccagccgcttcttcatccagtgcattgttgaacagatcaatagcagccaagttattggctagattacataacggtggttatgttttgcctgctgatatttttgcaaatttgcctaacccacctgacccatttttcacaagagcccaaattgatagagaagctagaaaggttagagacggtatcatgggcatgttgtacttgcaaagaatgccaaccgaatttgatgttgccatggctactgtctattacttagctgacagaaatgttgtttccggtgaaacttttcatcctagtggtggtttgagatatgaaagaactccaacaggtggtgaattgttcggtttaccatctcctgaaagattggctgaattagtcggttcaacagtatacttaataggtgaacatttgaccgaacacttaaatttgttggcaagagcctatttggaaagatacggtgcaagacaagttgtcatgattgttgaaaccgaaactggtgctgaaacaatgagaagattattgcatgatcacgttgaagctggtagattgatgaccattgttgctggtgaccaaatagaagctgcaatcgaccaagctattactagatatggtagaccaggtcctgtagtttgtactccttttagaccattacctacagttccattggtcggtagaaaagattctgactggtcaacagttttatcagaagcagaatttgccgaattatgcgaacatcaattgactcatcacttcagagtcgccagaaagtggattgctttgtctgatggtgcttcacgattagcattggtaaccccagaaacaaccgctacttccactacagaacaattcgctttggcaaacttcatcaagaccactttgcatgccttcacagctaccattggtgtagaaagtgaaagaactgctcaaagaatattaatcaaccaagttgatttgacaagaagagccagagctgaagaacctagagacccacacgaaagacaacaagaattagaaagattcattgaagcagtattgttggttactgccccattgccaccagaagcagacacaagatacgcaggtagaatccacagaggtagagccattacagtctaa。
18、seq?id?no.3:(mcrn)
19、atgagtggtacaggtagattagcaggtaaaatagcattgataacaggtggtgccggtaacataggttccgaattaacaagaagatttttggcagaaggtgccaccgttattatctctggtagaaacagagcaaagttaactgccttggctgaaagaatgcaagcagaagccggtgtccctgctaagagaattgatttggaagttatggatggttctgacccagtcgctgtaagagcaggtattgaagccatagtagctagacatggtcaaatcgatatcttggttaacaacgcaggttcagctggtgcacaaagaagattggctgaaattcctttaactgaagcagaattgggtccaggtgccgaagaaacattacatgcatccattgccaatttgttgggtatgggttggcatttgatgagaatagctgcaccacacatgcctgttggtagtgcagttataaacgtctccaccatcttcagtagagctgaatattacggtagaattccttatgttactccaaaagccgctttaaatgcattgtctcaattagcagccagagaattaggtgctagaggtattagagttaacaccatatttccaggtcctatcgaatcagatagaattagaactgtcttccaaagaatggatcaattaaagggtagacctgaaggtgacacagctcatcactttttaaacaccatgagattgtgtagagcaaacgatcaaggtgccttggaaagaagatttccatctgtaggtgacgttgctgacgctgcagtcttcttagcctccgctgaaagtgccgctttgtcaggtgaaactattgaagttacacatggtatggaattgccagcctgctctgaaacatcattgttagcaagaaccgatttgagaactattgacgcttctggtagaactacattgatctgtgctggtgaccaaattgaagaagtcatggctttgacaggcatgttaagaacctgcggttctgaagtaatcattggttttagatcagcagccgctttagctcaattcgaacaagcagttaatgaatcaagaagattggcaggtgccgattttacaccacctatagctttaccattagatccaagagatccagcaaccatcgatgccgtattcgactggggtgctggtgaaaatacaggtggtatacatgcagccgttatcttaccagctacctctcacgaaccagcaccttgtgtcatagaagtagatgacgaaagagttttgaacttcttagctgatgaaatcacaggtaccattgtcatagcttccagattagcaagatattggcaaagtcaaagattgactcctggtgctagagcaagaggtccaagagtaatctttttgtctaatggtgctgatcaaaacggtaacgtttacggtagaattcaatcagctgcaataggtcaattaatcagagtttggagacatgaagctgaattggattaccaaagagcatctgccgctggtgaccacgtcttaccacctgtatgggccaatcaaattgttagatttgctaacagatccttggaaggtttagaattcgcctgtgcttggactgctcaattgttgcatagtcaaagacacatcaacgaaatcacattgaacataccagccaacatctaa。
20、seq?id?no.4:(cagapdh)
21、atggctaagattgctattaacggtttcggtagaattggtagattggccttgcgtagaatcttggaagtcccaggtttggaagttgttgctattaacgatttgactgatgctaagatgttggctcacttgtttaaatacgattcctctcaaggtagattcaacggtgaaattgaagttaaagaaggtgctttcgttgttaatggaaaggaagttaaggttttcgctgaagctgatccagaaaagttgccatggggtgacttgggtatcgatgttgttttggaatgtactggtttcttcactaagaaggaaaaagctgaagcccacgttagagctggtgctaagaaggttgttatttctgctccagctggtaatgatttgaaaactattgtttttaatgttaataatgaagatttggacggtactgaaaccgttatctctggtgcttcttgtactactaactgtttggctccaatggctaaggttttgaatgataagtttggtattgaaaagggttttatgactactattcacgctttcaccaacgatcaaaatactttggacggtccacatagaaagggtgacttgagaagagctagagctgctgctgtttcaattattccaaactccactggtgctgctaaggctatttctcaagttattcctgacttggctggtaaattggatggtaacgctcaaagagttccagttccaactggttctattactgaactagtctctgttttgaagaagaaagttaccgttgaagaaattaacgccgctatgaaagaagctgctgacgaatcttttggttatactgaagatccaattgtttctgctgatgttgttggtattaattacggttctttgtttgatgctactttgaccaaaattgttgatgttaatggttcccaattagttaagactgctgcttggtatgataacgaaatgtcttatacttcccaattggttagaaccttggcttacttcgctaagattgctaagtaa。
22、seq?id?no.5:(ada)
23、atggaacactccgttattgaaccaactgttccaatgccgatgccagccatgttcgatgctccatccggtatctttgattctttggacgatgccgtccaagctgctgtctacgcccaacaacaattgaactctgtcgaattgagacaacaagttatcaaggctatccgtgttgctggtgaaagatacgctcaagtcttggctgaaatggctgttgccgaaaccggtatgggtagagttgtcgacaagtacattaagaacgtatctcaagctcgtcatacaccaggtatcgaatgtttgtccgctgaagttttgactggtgacaacggtttgactttgattgaaaatgctccatggggtgtcgttgcttccgtcactccatctactaaccctgctgccaccgtcatcaacaacgctatctccatgattgctgccggaaatagtgtcgtttttgccccacatccatctgctaagaacgtttccttgagaaccattagcttattaaacaaggccattgttgctactggtggtccagaaaacctattagtctcagtctccgacccaaacatagaaaccgctcaaagattgttccgttacccaggtattggtttgttggttgttactggtggtgaggctgtcgttgaagctgcaagaaagcacactgacaagagattgatcgctgctggtgctggtaaccctccagtcgttgttgatgaaactgctgatattcctaaggctgcaagagctattgtcaagggtgcttctttcgacaacaacatcatctgtgctgacgaaaaggttctaatcgtggtcgattctgtcgctgacgctttgttggaagaaatgcaaagaaaccacgctgttttgttaactccagctcaaactgaacaactattgccagctttgttgtctgacattgacgaacaaggtaagggtagagttaacagagactacgttggtcgtgatgctaccaagttggccgaagccatcggtttggaagtcaacgaatataccagattgttgttagctgaaaccgatgcctctcacccattcgctgtcaccgaattgatgatgccagtcctgccagttgttagagttaagaacgtcgatgaagctatcgccttggctttgaaattggaaaatggttgtagacacaccgctgctatgcactctaccaacattagaaacttgaacagaatggctaacgccattaacacttctatcttcgttaaaaatggtccatgcattgctggcttgggtttaggtggtgaaggttggacttccatgactatctctaccccaaccggcgaaggtgttacctctgccagaactttcgtcagattaagaagatgtgttttggtagacatgttcagaatcgcctga。
24、第二方面,本發(fā)明提供一種制備第一方面所述的利用葡萄糖和乙醇雙碳源穩(wěn)定生產(chǎn)3-羥基丙酸的酵母工程菌的方法,所述方法包括:
25、以酵母菌為出發(fā)菌株,敲除pfk1和pfk2基因,并過表達mutacc1、mcrc、mcrn、zwf1、gnd1、tal1、rki1、rpe1、tkl1以及融合的cagapdh和pos5基因。
26、可以理解,基于本發(fā)明設計的改造策略,本領域通用的基因敲除或過表達方法均適用于本發(fā)明。
27、第三方面,本發(fā)明提供第一方面所述的利用葡萄糖和乙醇雙碳源穩(wěn)定生產(chǎn)3-羥基丙酸的酵母工程菌在生產(chǎn)3-hp中的應用。
28、第四方面,本發(fā)明提供一種生產(chǎn)3-hp的方法,所述方法包括:
29、培養(yǎng)第一方面所述的利用葡萄糖和乙醇雙碳源穩(wěn)定生產(chǎn)3-hp的酵母工程菌,收集菌液進行產(chǎn)物分離純化,得到所述3-hp。
30、基于本發(fā)明構建的工程菌,采用本領域通用的培養(yǎng)和純化方法,即可實現(xiàn)高效生產(chǎn)3-hp。
31、與現(xiàn)有技術相比,本發(fā)明具有以下有益效果:
32、本發(fā)明通過在釀酒酵母內(nèi)對乙醇到乙酰輔酶a的代謝途徑進行系統(tǒng)梳理和改造,有效提高了乙醇到3-hp的轉化率,并通過適應性實驗室進化重塑細胞內(nèi)的還原力和能量平衡,實現(xiàn)了3-hp在釀酒酵母中的穩(wěn)定合成。此外,本發(fā)明通過重塑酵母中樞代謝,為利用合成生物學手段高效轉化低碳化合物提供了新的思路。