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重組褐藻膠裂解酶基因工程菌的高密度培養(yǎng)

2013-05-18 07:29李安雪汪立平
食品工業(yè)科技 2013年7期
關(guān)鍵詞:褐藻補(bǔ)料菌體

李安雪,汪立平,趙 勇

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心,上海201306)

褐藻膠的降解產(chǎn)物褐藻寡糖具有促進(jìn)雙歧桿菌的增殖、整腸、解毒、降血糖血脂、抗炎、抗菌、免疫調(diào)節(jié)等作用[1-5]。褐藻膠的酶解法,反應(yīng)條件易控制,底物特異性高,在寡糖制備各方面明顯優(yōu)于化學(xué)和物理降解,褐藻膠裂解酶已成為目前研究的熱點(diǎn)。大部分含有褐藻膠裂解酶基因的野生菌株生長(zhǎng)條件特殊,產(chǎn)酶量低,分離困難。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已構(gòu)建了表達(dá)褐藻膠裂解酶基因的工程菌[6-13],但是利用這些工程菌進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)生的褐藻膠裂解酶的活性依然偏低,達(dá)不到工業(yè)生產(chǎn)利用的要求。高細(xì)胞密度發(fā)酵(High cell density cultivation,HCDC)是指在一定條件和培養(yǎng)體系下獲得最多的細(xì)胞量,即利用一定的培養(yǎng)技術(shù)和裝置提高菌體的發(fā)酵密度,使菌體密度較普通培養(yǎng)有顯著提高,最終提高產(chǎn)物的比生產(chǎn)率(單位體積單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)物的產(chǎn)量)[14]。高密度發(fā)酵技術(shù)不僅增加了發(fā)酵過(guò)程中重組大腸桿菌的生物量,得到大量的目的基因產(chǎn)物,并且目的產(chǎn)物也得到質(zhì)的提高。據(jù)LeeS Y[15]計(jì)算,理論上大腸桿菌發(fā)酵所能達(dá)到的最高菌體密度為400g(DCW/L),迄今為止,大腸桿菌發(fā)酵菌體密度最高的兩例為:非重組E.coli W3110 達(dá) 174g(DCW/L)[16],生產(chǎn)聚-3-羥基丁酸的重組菌達(dá)175.4g(DCW/L)[17]。目前,褐藻膠裂解酶基因的工程菌高密度培養(yǎng)尚未見(jiàn)報(bào)道。較高活性的褐藻膠裂解酶可以制備褐藻寡糖,并具有較高的利用價(jià)值,為提高褐藻膠裂解酶的產(chǎn)量和活性,本實(shí)驗(yàn)對(duì)褐藻膠裂解酶基因工程菌的高密度培養(yǎng)進(jìn)行了研究。本實(shí)驗(yàn)對(duì)來(lái)源于蠟樣芽孢桿菌的褐藻膠裂解酶基因進(jìn)行了克隆,并在大腸桿菌BL21中進(jìn)行表達(dá)[18]。將該菌種采用分批補(bǔ)料方式在5L發(fā)酵罐中進(jìn)行培養(yǎng)。通過(guò)對(duì)發(fā)酵培養(yǎng)基中碳濃度、氮源濃度、補(bǔ)料培養(yǎng)基濃度、誘導(dǎo)時(shí)間和誘導(dǎo)劑濃度的控制,通過(guò)高密度發(fā)酵提高褐藻膠裂解酶生產(chǎn)量。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

含表達(dá)褐藻膠裂解酶重組質(zhì)粒的工程菌E.coli BL21 本實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建和保藏;氨芐青霉素、IPTG 天根生化科技有限公司;其他培養(yǎng)基成分及試劑 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;LB培養(yǎng)基(g/L):蛋白胨10,酵母提取物5,氯化鈉10,卡那霉素(10mg/mL)600μL;搖瓶種子培養(yǎng)基(g/L):蛋白胨10,酵母提取物 5,NaCl 10,葡萄糖 30,卡那霉素(10mg/mL)600μL;發(fā)酵培養(yǎng)基[19](g/L):葡萄糖 10,酵母提取物5,蛋白胨 20,K2HPO45,KH2PO43.5,(NH4)2HPO44.0,MgSO4·7H2O 1.2,檸檬酸 1.7,微量元素液(1mL/L),卡那霉素(10mg/mL)600μL;其中微量元素液(g/L):FeSO4·7H2O 1.0,ZnSO4·7H2O 0.225,(NH4)6MO·4H2O 0.15,CuSO4·H2O 0.15,CaCl2·H2O 0.2,MnSO4·H2O 0.05,Na2B4O4·H2O 0.002;補(bǔ)料培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖,蛋白胨20,酵母提取物10,MgSO4·7H2O 1.2。

立式壓力蒸汽滅菌器 上海申安醫(yī)療器械廠;FMG-5L-Ⅰ發(fā)酵罐 上海國(guó)強(qiáng)生化工程裝備有限公司;細(xì)胞破碎儀 LOW SURFACE TENSION LIQUIDS ORGANIC SOLVENTS;SW-CJ-1F潔凈工作臺(tái) 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司;UV-2000型分光光度計(jì) 上海安亭科學(xué)儀器廠;CR21G冷凍離心機(jī) 日本日立公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 重組大腸桿菌的分批發(fā)酵 將含表達(dá)褐藻膠裂解酶重組質(zhì)粒的工程菌E.coli BL21在LB培養(yǎng)基中進(jìn)行活化,按2%接種量接種于 LB培養(yǎng)基中,150r/mim,37℃,培養(yǎng) 10h,OD600約 0.7~0.8。搖瓶培養(yǎng)后[19]的種子液按5%的接種量接種于5L發(fā)酵罐中,培養(yǎng)基體積為3L。控制的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)為:溶氧量控制在30%~40%,轉(zhuǎn)速400r/min;在第5h加入1mmol/L的IPTG誘導(dǎo)表達(dá),誘導(dǎo)前發(fā)酵溫度自動(dòng)控制在37℃,誘導(dǎo)后發(fā)酵溫度設(shè)定為30℃;每隔2h進(jìn)行取樣,利用分光光度計(jì)在600nm處測(cè)定菌體密度OD600,用DNS法測(cè)定發(fā)酵液中葡萄糖含量;發(fā)酵結(jié)束后收集菌體制備酶液,用紫外吸收測(cè)定酶活。

1.2.2 重組大腸桿菌的分批補(bǔ)料發(fā)酵 按照1.2.1進(jìn)行接種培養(yǎng),培養(yǎng)至10g/L的初糖濃度低于1g/L時(shí),在不同批次培養(yǎng)中分別流加葡萄糖濃度為60、90、120、150g/L的補(bǔ)料培養(yǎng)基,根據(jù)補(bǔ)料培養(yǎng)基的體積和發(fā)酵時(shí)間,4~10h的流加速率為 100mL/h,10~16h流加速率為200mL/h。補(bǔ)料期間仍然手動(dòng)流加30%(v/v)的氨水,流加速率根據(jù)發(fā)酵液中pH的變化而改變,保持pH穩(wěn)定,使pH保持在7.0~7.2,溶氧量控制在30%~40%,轉(zhuǎn)速400r/min;溫度設(shè)定為37℃。

1.2.3 重組大腸桿菌補(bǔ)料分批發(fā)酵過(guò)程中IPTG誘導(dǎo)條件的優(yōu)化 在分批補(bǔ)料發(fā)酵過(guò)程中,選擇IPTG的誘導(dǎo)時(shí)間和IPTG濃度兩個(gè)因素進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),對(duì)IPTG誘導(dǎo)條件進(jìn)行初步優(yōu)化。以單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ),運(yùn)用單純形法[20]對(duì)IPTG的誘導(dǎo)條件做進(jìn)一步優(yōu)化,得到最優(yōu)誘導(dǎo)條件。

1.2.4 酶液的制備 發(fā)酵進(jìn)行24h后結(jié)束發(fā)酵,發(fā)酵液在4℃、8000r/min下離心10min,收集菌體,用PBS緩沖液洗滌3次,加入適量PBS緩沖液重懸(菌液濃度為40mg/mL,以濕重計(jì))。菌液在4℃下預(yù)冷并均質(zhì)后在冰水浴中經(jīng)超聲波破碎(超聲波破碎條件為菌液體積50mL,NaCl濃度為0.15mol/L,破碎強(qiáng)度50%,總工作時(shí)間5min,工作/間歇時(shí)間為4s/8s),4℃下以12000r/min轉(zhuǎn)速離心15min,上清液即為粗酶液,粗酶液利用鎳柱親和層析純化進(jìn)行純化后得到純酶液。

1.3 分析方法

1.3.1 菌體密度 取一定量的發(fā)酵液,經(jīng)適當(dāng)稀釋?zhuān)瓜♂尯蟮木篛D值在0.2~0.8之間,用分光光度計(jì)在600nm處測(cè)吸光值,吸光值與稀釋倍數(shù)的乘積即為發(fā)酵液的菌體密度(OD600)。

1.3.2 細(xì)胞濃度 取10mL發(fā)酵液,離心收集菌體沉淀,于105℃烘干約3h至恒重,精確稱(chēng)重,即為細(xì)胞干重。

1.3.3 殘?zhí)菨舛?DNS法[21]。

1.3.4 酶活測(cè)定 參照Preiss[22]紫外吸收法。

1.3.5 重組蛋白含量 考馬斯亮藍(lán)法[23],以牛血清白蛋白BSA為標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.6 平均比生長(zhǎng)速率[24]

其中μ是平均比生長(zhǎng)速率(1/h),C是菌體濃度(g/L),t是時(shí)間(h)。

2 結(jié)果與分析

2.1 重組大腸桿菌的分批發(fā)酵

重組大腸桿菌分批發(fā)酵的結(jié)果如圖1所示,由圖中可以看出,在葡萄糖濃度為10g/L的發(fā)酵培養(yǎng)基中進(jìn)行分批發(fā)酵時(shí),重組大腸桿菌的菌體密度在12h達(dá)到最大,OD600為10.83,發(fā)酵結(jié)束后按照分析方法1.3.2測(cè)定細(xì)胞濃度(DCW)達(dá)5.95g/L。在第5h加入IPTG誘導(dǎo)外源基因表達(dá),根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,誘導(dǎo)表達(dá)6h后取發(fā)酵液制取粗酶液,重組大腸桿菌進(jìn)入穩(wěn)定期,發(fā)酵進(jìn)行24h后結(jié)束發(fā)酵,制取粗酶液,測(cè)定酶活達(dá)4.81U/mL。

圖1 重組大腸桿菌的分批發(fā)酵Fig.1 Batch fermentation of recombinant E.coli

2.2 重組大腸桿菌的分批補(bǔ)料發(fā)酵

重組大腸桿菌的分批補(bǔ)料發(fā)酵結(jié)果如圖2,由圖2(A)可以看出,當(dāng)補(bǔ)料培養(yǎng)基中葡萄糖濃度為60g/L時(shí),補(bǔ)料前平均比生長(zhǎng)速率為0.44h-1,補(bǔ)料期間平均比生長(zhǎng)速率僅為0.02h-1,在第14h菌體密度達(dá)到最大,OD600僅為11.99,與分批發(fā)酵相比沒(méi)有一點(diǎn)提高。這說(shuō)明補(bǔ)料培養(yǎng)基中葡萄糖的濃度過(guò)低,培養(yǎng)基中碳源濃度嚴(yán)重不足,菌體生長(zhǎng)緩慢。因此,增大補(bǔ)料培養(yǎng)基中葡糖糖的濃度,以提高發(fā)酵液中葡萄糖的濃度,分別設(shè)計(jì)了補(bǔ)料培養(yǎng)基中葡萄糖濃度為90、120、150g/L,并在補(bǔ)料時(shí)手動(dòng)流加氨水溶液,培養(yǎng)結(jié)果如圖2(B)~圖2(D)所示。

由圖2(B)~圖2(D)可知,隨著補(bǔ)料培養(yǎng)基中葡萄糖濃度的增大,當(dāng)補(bǔ)料培養(yǎng)基中葡萄糖濃度為90g/L時(shí),補(bǔ)料前比生長(zhǎng)速率為0.44h-1,補(bǔ)料期間平均比生長(zhǎng)速率為0.060h-1;在第14h獲得細(xì)胞密度OD600值為33.75。當(dāng)補(bǔ)料培養(yǎng)基中葡萄糖濃度為120g/L時(shí),補(bǔ)料前比生長(zhǎng)速率為0.43h-1,補(bǔ)料期間平均比生長(zhǎng)速率為0.13h-1;在第22h獲得細(xì)胞密度OD600值為45.13。當(dāng)補(bǔ)料培養(yǎng)基中葡萄糖濃度為150g/L時(shí),料前比生長(zhǎng)速率為0.44h-1,補(bǔ)料期間平均比生長(zhǎng)速率為0.27h-1;在第24h獲得細(xì)胞密度OD600值為99.24。比較之后可以得出,補(bǔ)料培養(yǎng)基中葡萄糖濃度為150g/L的結(jié)果最好。

2.3 IPTG誘導(dǎo)條件的優(yōu)化

2.3.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.3.1.1 誘導(dǎo)時(shí)間 在重組大腸桿菌的分批補(bǔ)料發(fā)酵過(guò)程,在誘導(dǎo)溫度為30℃,IPTG濃度為1mmol/L的情況下,分別在第 2、4、8、12、16h進(jìn)行誘導(dǎo)后,分批發(fā)酵30h,考察誘導(dǎo)時(shí)間對(duì)褐藻膠裂解酶高效表達(dá)的影響。結(jié)果如圖3所示。誘導(dǎo)時(shí)間對(duì)基因表達(dá)效果影響很大,加入過(guò)早或過(guò)遲褐藻膠裂解酶基因的表達(dá)效果都不夠理想,過(guò)早的誘導(dǎo)時(shí),微生物處于停滯期,IPTG的加入抑制了大腸桿菌的生長(zhǎng),使得菌體密度較低;若誘導(dǎo)太晚,菌成熟后各種酶的合成能力降低,表達(dá)量也減少。由圖中可以看出,在第4h進(jìn)行誘導(dǎo)時(shí),表達(dá)效果最好,表達(dá)量達(dá)到最高值。發(fā)酵結(jié)束后制取粗酶液,酶活達(dá)17.62U/mL,重組蛋白含量達(dá)0.357g/g。

圖2 補(bǔ)料葡萄糖濃度對(duì)重組大腸桿菌分批補(bǔ)料發(fā)酵的影響Fig.2 Supplementary food glucose concentration on recombinant E.coli fed-batch culture fermentation

2.3.1.2 IPTG濃度 在重組大腸桿菌的分批補(bǔ)料發(fā)酵過(guò)程,在誘導(dǎo)溫度為30℃,誘導(dǎo)時(shí)間為4h的情況下,分別以 IPTG 終濃度為 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mmol/L對(duì)重組菌進(jìn)行誘導(dǎo)表達(dá),分批發(fā)酵30h,考察誘導(dǎo)時(shí)間對(duì)褐藻膠裂解酶高效表達(dá)的影響。結(jié)果如圖4所示,由圖中可以看出,第 4h以 IPTG終濃度為0.6mmol/L進(jìn)行誘導(dǎo)時(shí),表達(dá)效果最好。發(fā)酵結(jié)束后制取粗酶液,酶活達(dá)17.62U/mL,重組蛋白含量達(dá)0.373g/g。當(dāng)大于0.6mmol/L時(shí)誘導(dǎo)效果開(kāi)始降低,這是由于高濃度的IPTG對(duì)含質(zhì)粒工程菌的生長(zhǎng)具有抑制作用[18],并且IPTG本身價(jià)格就比較昂貴,因此控制好濃度是非常有必要的。

圖3 IPTG誘導(dǎo)時(shí)間對(duì)重組蛋白表達(dá)的影響Fig.3 Induction time of IPTG on recombinant protein expression

圖4 IPTG濃度對(duì)重組蛋白表達(dá)的影響Fig.4 Concentration of IPTG on recombinant protein expression

2.3.2 單純形優(yōu)化法 單純形法在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,要先確定考察的因素,而且要等一個(gè)配方實(shí)驗(yàn)完后才能根據(jù)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn),因此主要適用于實(shí)驗(yàn)周期較短的細(xì)菌或重組工程菌發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化,以及不能進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)的發(fā)酵罐培養(yǎng)條件的優(yōu)化[25]。根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行單純形優(yōu)化實(shí)驗(yàn),利用均勻設(shè)計(jì)表構(gòu)造初始單純形,如表1所示,分別進(jìn)行重組大腸桿菌分批補(bǔ)料發(fā)酵實(shí)驗(yàn);發(fā)酵結(jié)束后制備粗酶液,測(cè)定褐藻膠裂解酶酶活力,根據(jù)初始單純形實(shí)驗(yàn)結(jié)果,去掉其中結(jié)果最壞的實(shí)驗(yàn)點(diǎn),按照改進(jìn)單純形優(yōu)化法確定出新的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的誘導(dǎo)時(shí)間和IPTG終濃度,其中新的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的計(jì)算公式為:P新=P平+α(P平-P差),式中 P平為留下實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的平均值,P差為去掉的最差點(diǎn),α的取值一般為1,根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行擴(kuò)大或縮小。

表1 初始單純形Table 1 Initial simplex

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)5次更新單純形,即可確定出IPTG誘導(dǎo)的最優(yōu)條件,結(jié)果如表2所示,最佳誘導(dǎo)條件為:誘導(dǎo)時(shí)間為第 4.5h,IPTG終濃度為0.60mmol/L。在此條件下,經(jīng)過(guò)分批補(bǔ)料發(fā)酵,重組大腸桿菌經(jīng)過(guò)分批補(bǔ)料發(fā)酵,在最佳誘導(dǎo)條件下誘導(dǎo)后,發(fā)酵進(jìn)行30h,最終菌體密度OD600達(dá)91.29,粗酶液的酶活達(dá)26.37U/mL,重組蛋白含量為0.491g/g,即為第7組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,發(fā)酵液經(jīng)105℃烘干至恒重,稱(chēng)得其細(xì)胞干重為60.15g/L。與分批發(fā)酵相比,菌體密度提高了8.43倍,褐藻膠裂解酶的活性提高了5.48倍。

表2 誘導(dǎo)條件單純形優(yōu)化數(shù)據(jù)Table 2 Progress of simplex optimization for induction condition

3 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)補(bǔ)料培養(yǎng)基中葡萄糖濃度的優(yōu)化,使得發(fā)酵罐中葡萄糖的濃度既能供應(yīng)大腸桿菌的生長(zhǎng),即能保持較高的比生長(zhǎng)速率,又能控制乙酸的產(chǎn)生,發(fā)酵罐中的pH保持在7.0左右,最終大腸桿菌發(fā)酵結(jié)束后菌體密度 OD600達(dá)99.24、細(xì)胞干重(g(DCW)/L)65.38的高密度。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和單純形優(yōu)化法優(yōu)化誘導(dǎo)條件,最終以最佳誘導(dǎo)條件誘導(dǎo)后,重組大腸桿菌在分批補(bǔ)料發(fā)酵中菌體OD600達(dá)91.29,細(xì)胞干重(g(DCW)/L)達(dá)60.15;褐藻膠裂解酶的酶活達(dá)26.37U/mL,是分批發(fā)酵的5.48倍。該方法補(bǔ)料指征簡(jiǎn)便,不需要復(fù)雜的發(fā)酵參數(shù)控制和較長(zhǎng)的發(fā)酵時(shí)間,為以后的研究提供了一定的基礎(chǔ)。雖然與分批發(fā)酵相比,褐藻膠裂解酶的酶活得到了一定的提高,但仍然滿足不了生產(chǎn)使用的需求,以后仍然需要更加深入的研究,例如在酵母系統(tǒng)中進(jìn)行表達(dá)、蛋白質(zhì)工程等手段使其酶活進(jìn)一步提高。

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