CN119020249A - 一种普里斯特氏工程菌及其构建方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于普里斯特氏菌基因工程改造技术领域,公开了一种普里斯特氏工程菌及其构建方法和应用。其中,普里斯特氏工程菌由含有holin连接片段和endolysin连接片段的重组表达载体转入普里斯特氏菌获得。本发明提供的普里斯特氏工程菌,具有噬菌体裂解系统基因holin和endolysin,噬菌体裂解系统(holin和endolysin)能使普里斯特氏工程菌在生长终点自裂解,具有高效的自我裂解能力,因此可简化聚羟基烷酸酯(PHAs)的提取过程。
Description
技术领域
本发明涉及普里斯特氏菌基因工程改造技术领域,具体涉及一种普里斯特氏工程菌及其构建方法和应用。
背景技术
聚羟基烷酸酯(PHAs)是一类由微生物合成的生物可降解高分子材料,因其可作为塑料的可持续替代品,在环境保护和减少石油依赖方面具有重要的应用价值。PHAs不仅具有良好的生物相容性和生物降解性,还可以通过微生物发酵过程直接从可再生资源中生产,因此在包装、农业、医疗和其他工业应用中显示出巨大的潜力。
普里斯特氏菌(Priestia aryabhattai)作为一种环境微生物,其对多种环境压力具有较强的抗逆性,能够在较宽的温度和pH范围内生长,且无内毒素,为生产PHA提供了理想的生物工厂。特别是,普里斯特氏菌能够利用多种廉价底物,如糖类、脂肪酸和甘油,高效生产PHAs,这对于降低生物塑料的生产成本具有重要意义。
尽管普里斯特氏菌在PHA生产中表现出优异的能力,但由于细胞壁结构复杂且坚固,使得从其胞内提取PHA成为一个技术挑战,这一过程通常需要使用高能耗的机械或化学方法破壁,从而增加了生产成本。
因此,开发一种能够在生长终点自裂解的工程普里斯特氏菌株将极大地简化PHA的回收过程,减少下游处理成本,从而推动PHA的商业化应用。
发明内容
本发明提供的普里斯特氏工程菌及其构建方法和应用,旨在解决从普里斯特氏菌胞内提取PHA的过程耗能高、成本高、操作复杂的技术问题。
根据第一方面,一种实施例中提供一种普里斯特氏工程菌,由含有holin连接片段和endolysin连接片段的重组表达载体转入普里斯特氏菌获得。
需要说明的是,通过将含有holin连接片段和endolysin连接片段的重组表达载体转入普里斯特氏菌获得工程菌,holin连接片段和endolysin连接片段为噬菌体裂解系统基因holin和endolysin的扩增产物,以使普里斯特氏工程菌具有噬菌体裂解系统基因holin和endolysin,噬菌体裂解系统(holin和endolysin)能使普里斯特氏工程菌在生长终点自裂解,具有高效的自我裂解能力,如此可简化聚羟基烷酸酯(PHAs)的提取过程。
根据第二方面,一种实施例中提供一种第一方面的普里斯特氏工程菌的构建方法,包括以下步骤:
将holin连接片段和endolysin连接片段均连接到表达质粒,得到重组表达载体;
将所述重组表达载体转化到普里斯特氏菌内,得到所述普里斯特氏工程菌。
根据第三方面,一种实施例中提供第一方面的普里斯特氏工程菌在聚羟基烷酸酯生产中的应用。
根据第四方面,一种实施例中提供一种生产聚羟基烷酸酯的方法,包括培养第一方面的普里斯特氏工程菌并使所述普里斯特氏工程菌生产聚羟基烷酸酯的步骤。
根据上述实施例的普里斯特氏工程菌及其构建方法和应用,由于使普里斯特氏工程菌具有噬菌体裂解系统基因holin和endolysin,而噬菌体裂解系统(holin和endolysin)使普里斯特氏工程菌在生长终点自裂解,具有高效的自我裂解能力,如此可简化聚羟基烷酸酯(PHAs)的提取过程,进而降低生产成本,提高生产效率,并且,这种自裂解机制减少了对化学溶剂和高能机械的依赖,减轻了环境污染,增强了生产过程的环境友好性和安全性,展示了生物技术在环境保护和工业应用中的重要价值。
附图说明
图1为重组表达载体pWH1520-Holin-Endolysin构建原理图;
图2为野生菌和工程菌株培养24h后的扫描电镜图;
图3为野生菌和工程菌株的生长曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中,很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而,本领域技术人员可以毫不费力的认识到,其中部分特征在不同情况下是可以省略的,或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下,本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述,这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没,而对于本领域技术人员而言,详细描述这些相关操作并不是必要的,他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外,说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时,方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此,说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例,并不意味着是必须的顺序,除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身,例如“第一”、“第二”等,仅用于区分所描述的对象,不具有任何顺序或技术含义。
根据第一方面,一种实施例中提供一种普里斯特氏工程菌,由含有holin连接片段和endolysin连接片段的重组表达载体转入普里斯特氏菌获得。
需要说明的是,通过将含有holin连接片段和endolysin连接片段的重组表达载体转入普里斯特氏菌获得工程菌,holin连接片段和endolysin连接片段为噬菌体裂解系统基因holin和endolysin的扩增产物,以使普里斯特氏工程菌具有噬菌体裂解系统基因holin和endolysin,噬菌体裂解系统(holin和endolysin)能使普里斯特氏工程菌在生长终点自裂解,具有高效的自我裂解能力,如此可简化聚羟基烷酸酯(PHAs)的提取过程,有利于PHA的回收,减少下游处理成本,提高了生产效率,推动PHA的商业化应用。并且,这种自裂解机制减少了对化学溶剂和高能机械的依赖,减轻了环境污染,增强了生产过程的环境友好性和安全性,展示了生物技术在环境保护和工业应用中的重要价值。
在一种实施例中,采用引物组合对噬菌体裂解系统基因holin和endolysin进行PCR扩增,以获得holin连接片段和endolysin连接片段;优选的,引物组合包括第一引物组和第二引物组;第一引物组用于以噬菌体裂解系统基因holin为模板进行PCR扩增,包括第一正向引物和第一反向引物,第一正向引物从5’端到3’端依序包括与表达质粒连接的第一重叠序列区和第一正向目标片段特异性结合区,第一反向引物从5’端到3’端依序包括与endolysin连接片段连接的重叠序列区和第一反向目标片段特异性结合区;第二引物组用于以噬菌体裂解系统基因endolysin为模板进行PCR扩增,包括第二正向引物和第二反向引物,第二正向引物从5’端到3’端依序包括与holin连接片段连接的重叠序列区和第二正向目标片段特异性结合区,第二反向引物从5’端到3’端依序包括与表达质粒连接的第二重叠序列区和第二反向目标片段特异性结合区。
需要说明的是,通过采用第一引物组扩增噬菌体裂解系统基因holin,采用第二引物组扩增噬菌体裂解系统基因endolysin,第一引物组中的引物和第二引物组中的引物均设计有重叠序列区,即第一引物组和第二引物组中的引物均设计为包含有同源臂的引物,如此可使holin连接片段和endolysin连接片段能通过同源重组连接获得holin-endolysin,并且holin-endolysin与表达质粒也能通过同源重组进行连接。如此设置,第一,确保正确的序列插入:引物中的重叠序列设计用于与目标DNA片段(如载体或其他插入片段)的特定区域匹配,这确保了插入片段能够在正确的位置和方向上与载体DNA进行重组;第二,增强分子克隆的效率:重叠序列促进了同源重组过程;第三,减少错误拼接:通过设计精确的重叠序列,可以大幅减少非特异性或错误方向的拼接事件,从而提高克隆的成功率和可靠性;第四,简化实验流程:使用重叠序列的引物可以在单一反应中完成多个片段的拼接,减少了需要的操作步骤,提高了整个克隆过程的效率和速度。
在一种实施例中,第一正向引物的序列为:
5’-GACAAATGGTCCAAACTAGTAGGAGGTGAATGTCATATGACA-3’
(SEQ ID NO.3);
第一反向引物的序列为:
5’-TTGTGAAATTTGCATTTATTTTTCCTCCTTATTTTTA-3’
(SEQ ID NO.4);
第二正向引物的序列为:
5’-AAGGAGGAAAAATAAATGCAAATTTCACAAGCGGGCA-3’
(SEQ ID NO.5);
第二反向引物的序列为:
5’-AGGTCGACTCTAGAGGATCCTCAACTTAGTCTAATTGTTTGT-3’
(SEQ ID NO.6)。
在一种实施例中,噬菌体裂解系统基因holin和endolysin均为根据普里斯特氏菌进行密码子优化后的DNA片段,以提高在宿主菌Priestia aryabhattai中的表达效率,确保裂解酶以足够的量和活性存在,从而实现更高效的细胞裂解。
在一种实施例中,噬菌体裂解系统基因holin的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示,噬菌体裂解系统基因endolysin的核苷酸序列如SEQ ID NO.2所示。
在一种实施例中,holin连接片段和endolysin连接片段插入表达质粒,得到重组表达载体,其中,表达质粒为普里斯特氏菌的兼容性质粒。
在一种实施例中,兼容性质粒包括pWH1520。
在一种实施例中,普里斯特氏菌为保藏编号为CCTCC M 2022789的普里斯特氏菌MIBE00004。
根据第二方面,一种实施例中提供一种第一方面的普里斯特氏工程菌的构建方法,包括以下步骤:
将holin连接片段和endolysin连接片段均连接到表达质粒,得到重组表达载体;
将重组表达载体转化到普里斯特氏菌内,得到普里斯特氏工程菌。
在一种实施例中,将holin连接片段和endolysin连接片段均连接到pWH1520中启动子PxylA和RBS序列的下游,得到重组表达载体。
需要说明的是,RBS序列(核糖体结合位点)是mRNA上的一段序列,与核糖体结合以初始化翻译过程,通过插入优化的RBS序列可以增加mRNA的翻译效率,在不插入或使用非优化RBS的情况下,可能会导致目标蛋白的表达不足,不能满足工程菌在裂解过程中的需求。通过将holin连接片段和endolysin连接片段连接到RBS序列的下游,可有效增强目标蛋白质(holin和endolysin)的产量。
在一种实施例中,RBS的核苷酸序列如SEQ ID NO.7所示,PxylA的核苷酸序列如SEQID NO.8所示。
在一种实施例中,将重组表达载体采用电转化法转化到普里斯特氏菌内。
根据第三方面,一种实施例中提供第一方面的普里斯特氏工程菌在聚羟基烷酸酯生产中的应用。
根据第四方面,一种实施例中提供一种生产聚羟基烷酸酯的方法,包括培养第一方面的普里斯特氏工程菌并使普里斯特氏工程菌生产聚羟基烷酸酯的步骤。
在一种实施例中,在培养自裂解普里斯特氏工程菌的培养基中添加木糖作为诱导剂,以进行培养。通过使用经济高效的诱导剂木糖对启动子PxylA进行诱导,实现了更精确和高效的基因表达控制。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案,以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1:重组表达载体的构建
图1示出了重组表达载体的构建的原理图。制备线性载体制备,将pWH1520质粒在指定的酶切位点5’SpeI和3’BamHI使用FastDigest内切酶进行酶切,得到线性载体pWH1520;使用包含同源臂的引物对所有需连接的DNA片段进行PCR扩增以制备连接片段;载体和连接片段通过同源重组进行连接,经转化和阳性克隆检测正确后提取得到表达载体pWH1520-Holin-Endolysin。
1)线性载体的制备:将pWH1520质粒在指定的酶切位点5’SpeI和3’BamHI使用FastDigest内切酶进行酶切,反应体系为:5μL 10*FDbuffer,2.5μL KpnI、2.5μL BamHI、30μL pWH1520质粒和10μL超纯水。反应条件为:37℃,30min。PCR纯化试剂盒纯化回收。
2)连接片段的制备:噬菌体裂解系统holin和endolysin基因根据普里斯特氏菌进行相应密码子优化并合成,其中,噬菌体裂解系统基因holin的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示,噬菌体裂解系统基因endolysin的核苷酸序列如SEQ ID NO.2所示。
设计基因模块holin和基因模块endolysin的上下游引物,基因模块holin上下游引物分别为holin-F和holin-R,上游引物holin-F包括该模块的特异性引物序列和其与质粒pWH1520连接的重叠序列,下游引物holin-R包括该模块的特异性引物序列和其与模块endolysin连接的重叠序列。基因模块endolysin上下游引物分别为endolysin-F和endolysin-R,上游引物endolysin-F包括该模块的特异性引物序列和其与模块holin连接的重叠序列,下游引物endolysin-R包括该模块的特异性引物序列和其与质粒pWH1520连接的重叠序列。其中,
holin-F的核苷酸序列如SEQ ID NO.3所示:
5’-GACAAATGGTCCAAACTAGTAGGAGGTGAATGTCATATGACA-3’;
holin-R的核苷酸序列如SEQ ID NO.4所示:
5’-TTGTGAAATTTGCATTTATTTTTCCTCCTTATTTTTA-3’;
endolysin-F的核苷酸序列如SEQ ID NO.5所示:
5’-AAGGAGGAAAAATAAATGCAAATTTCACAAGCGGGCA-3’;
endolysin-R的核苷酸序列如SEQ ID NO.6所示:
5’-AGGTCGACTCTAGAGGATCCTCAACTTAGTCTAATTGTTTGT-3’。
使用上述包含同源臂的引物对基因模块holin和基因模块endolysin进行PCR扩增。扩增体系为:ddH2O 20μl,2×Phanta Max Master Mix(Dye Plus)(诺唯赞,P525-01)25μl,上游引物(10μM)2μl,下游引物(10μM)2μl,模板DNA 1μl。PCR扩增条件见表1。
表1
PCR产物需要通过凝胶电泳进行检查,确保扩增成功,并且大小正确。使用DNA净化试剂盒PCR Purification Kit(全式金,EP101-01)从凝胶中提取纯化DNA。
3)重组表达载体的构建:将所有的纯化插入片段和载体DNA混合,GibsonAssembly Master Mix(全式金,CU201-02)按照指定的体积比例和浓度加入以使插入片段和载体DNA进行连接。反应体系为:5μL 2×Assembly Mix,1μLLinearized vector(5-100ng),2μL Inserts,to 10μL Nuclease-free Water,10μL反应体系中,载体与各个插入片段的最佳摩尔比为1:1~1:2。反应条件为:50℃反应10min。将反应产物通过电转化法转入普里斯特氏菌Priestia aryabhattai。转化后的细胞在含有对应质粒的抗生素(含与pWH1520质粒对应的抗生素,四环素抗性)的平板上培养,挑选生长的克隆。通过菌落PCR分析,对选中的克隆进行初步筛选。最终,通过测序验证克隆中的插入片段序列是否正确,以获取正确的重组表达载体pWH1520-Holin-Endolysin。
实施例2:工程菌的构建
重组表达载体pWH1520-Holin-Endolysin转化到Priestia aryabhattai中的详细步骤如下:
1)感受态细胞的制备:使用Priestia aryabhattai作为目标菌株来制备感受态细胞。将普里斯特氏菌Priestia aryabhattai菌种在SOC固体培养基平板上划线培养,37℃培养24h。挑取单克隆接种于SOC液体培养基,置于37℃摇床220rpm过夜培养。转接过夜培养物至100mL SOC液体培养基,置于37℃摇床220rpm培养至对数期。分装培养物至50mL无菌离心管,冰浴20min,4℃,8000rpm离心10min,收集菌体。将收集的菌体用5mL 4℃保藏的无菌水进行重悬,冰浴10min,4℃,8000rpm离心10min,收集菌体,此步骤重复2次。再将收集的菌体用5mL 4℃保藏的30%甘油溶液进行重悬,冰浴10min,4℃,8000rpm离心10min,收集菌体,此步骤重复2次。最后将收集的菌体用1mL4℃保藏的30%甘油溶液进行重悬,分装到无菌离心管中,100μL/管,-80℃保存备用。
2)目的质粒的电转化:使用Bio-Rad Micropulser电转化仪,其中电击杯电极间距为0.2cm。取50μL感受态细胞加入100ng质粒,冰浴15min,并加入50μL电转化缓冲液,冰浴5min,然后转入预冷的电击杯,以7kV/cm电击强度进行电击。电击结束后,迅速于电击杯中加入1mL SOC液体培养基,充分混匀后转移至无菌离心管,置于37℃摇床220rpm孵育2h。将孵育后的转化细胞培养液涂布于含载体抗性的抗生素筛选平板上,37℃倒置培养12h至18h。最后,挑选菌落PCR验证的阳性转化子到5mL SOC培养基中过夜培养,得到工程普里斯特氏菌Priestia aryabhattai(Holin-Endolysin),保存菌株。
实施例3:利用工程菌中的裂解酶基因实现普里斯特氏菌的诱导裂解
通过电转将重组质粒pWH1520-Holin-Endolysin转化导入普里斯特氏菌后,将工程菌株接种于LB液体培养基,置于37℃摇床220rpm过夜培养。转接过夜培养物至新鲜LB液体培养基,置于37℃摇床220rpm培养至对数期,加入8g/L木糖作为诱导剂,再次置于37℃摇床220rpm诱导培养24h。
诱导培养结束后,转移培养物至无菌离心管,4℃,8000rpm离心10min,收集菌体。加入2.5%戊二醛固定液,置于4℃冰箱中固定4h至6h,4℃,8000rpm离心10min,收集菌体。再用无菌水重悬菌体,4℃,8000rpm离心10min,收集菌体,此步骤重复2次。然后加入不同浓度梯度的乙醇进行脱水,室温静置5min,乙醇浓度梯度依次为30%,50%,70%,90%,95%,100%。每次脱水处理后均需室温8000rpm离心10min,收集菌体。加入叔丁醇,于4℃冰箱静置1h,转移至-80℃冰箱冷冻过夜。将样品真空干燥24h,获得菌粉。
结果分析:
利用扫描电子显微镜观察细胞形态,首先用棉签轻蘸菌粉,在导电胶上刮薄铺平,置于离子溅射仪进行喷金,喷金时间设置为0.5min(镀金的对应厚度为8nm),放大倍数设置为1000倍。请参阅图2,结果表明,转化重组质粒pWH1520-Holin-Endolysin的实验组中,克隆子细胞明显发生裂解,而未转化重组质粒pWH1520-Holin-Endolysin的对照组,仍保持细胞结构的完整性。
除了对工程菌株和野生菌株进行扫描电镜观察,将野生型Priestia aryabhattai和工程菌株Priestia aryabhattai(Holin-Endolysin)分别在LB木糖培养基中培养,测量菌液的吸光度OD600。将工程菌株和野生菌分别接种于LB液体培养基,添加8g/L木糖诱导剂或不添加诱导剂,置于37℃摇床220rpm培养36h。培养期间分别于0h、6h、12h、24h、36h使用紫外分光光度计测定OD600值。以添加诱导剂的野生菌为对照,同样时间点测定OD600值,绘制生长曲线图。请参阅图3,结果表明,工程菌株Priestia aryabhattai(Holin-Endolysin)在木糖作为诱导剂时,在促进裂解基因表达方面的有效性。这也提示工程菌株在生产过程中具有高效裂解和PHA回收的潜力,这对于降低PHA生产的下游处理成本具有重要意义。
因此,本发明使用的Priestia aryabhattai(Holin-Endolysin)工程菌株在促进裂解基因表达方面表现出显著优势,超过了其他采用插入Holin-Endolysin技术的方案。首先,本发明通过使用经济高效的诱导剂木糖对启动子PxylA进行诱导,实现了更精确和高效的基因表达控制。第二,holin和endolysin基因进行了密码子优化,以提高在宿主菌Priestia aryabhattai中的表达效率,确保裂解酶以足够的量和活性存在,从而实现更高效的细胞裂解。第三,利用Gibson Assembly方法整合这些基因到pWH1520兼容性载体中,不仅提高了基因整合的效率,还保证了表达的稳定性。结果显示,经过木糖诱导的工程菌株在裂解效率上显著优于对照组,这反映了裂解基因的高效表达及其在实际应用中的优越性。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述,只是用于帮助理解本发明,并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员,依据本发明的思想,还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (10)
1.一种普里斯特氏工程菌,其特征在于,由含有holin连接片段和endolysin连接片段的重组表达载体转入普里斯特氏菌获得。
2.如权利要求1所述的普里斯特氏工程菌,其特征在于,采用引物组合对噬菌体裂解系统基因holin和endolysin进行PCR扩增,以获得所述holin连接片段和所述endolysin连接片段;
优选的,所述引物组合包括第一引物组和第二引物组;所述第一引物组用于以所述噬菌体裂解系统基因holin为模板进行PCR扩增,包括第一正向引物和第一反向引物,所述第一正向引物从5’端到3’端依序包括与表达质粒连接的第一重叠序列区和第一正向目标片段特异性结合区,所述第一反向引物从5’端到3’端依序包括与所述endolysin连接片段连接的重叠序列区和第一反向目标片段特异性结合区;所述第二引物组用于以所述噬菌体裂解系统基因endolysin为模板进行PCR扩增,包括第二正向引物和第二反向引物,所述第二正向引物从5’端到3’端依序包括与所述holin连接片段连接的重叠序列区和第二正向目标片段特异性结合区,所述第二反向引物从5’端到3’端依序包括与所述表达质粒连接的第二重叠序列区和第二反向目标片段特异性结合区。
3.如权利要求2所述的普里斯特氏工程菌,其特征在于,所述噬菌体裂解系统基因holin和endolysin均为根据所述普里斯特氏菌进行密码子优化后的DNA片段;
优选的,所述噬菌体裂解系统基因holin的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示,所述噬菌体裂解系统基因endolysin的核苷酸序列如SEQ ID NO.2所示。
4.如权利要求1所述的普里斯特氏工程菌,其特征在于,所述holin连接片段和所述endolysin连接片段插入表达质粒,得到所述重组表达载体,所述表达质粒为普里斯特氏菌的兼容性质粒;
优选地,所述兼容性质粒包括pWH1520。
5.如权利要求1至4中任一项所述的普里斯特氏工程菌,其特征在于,所述普里斯特氏菌为保藏编号为CCTCC M 2022789的普里斯特氏菌MIBE00004。
6.一种如权利要求1至5中任一项所述的普里斯特氏工程菌的构建方法,其特征在于,包括以下步骤:
将holin连接片段和endolysin连接片段均连接到表达质粒,得到重组表达载体;
将所述重组表达载体转化到普里斯特氏菌内,得到所述普里斯特氏工程菌。
7.如权利要求6所述的普里斯特氏工程菌的构建方法,其特征在于,所述表达质粒为普里斯特氏菌的兼容性质粒;
优选的,所述兼容性质粒包括pWH1520;
优选的,将所述holin连接片段和所述endolysin连接片段均连接到pWH1520中启动子PxylA和RBS序列的下游,得到所述重组表达载体。
8.如权利要求6或7所述的普里斯特氏工程菌的构建方法,其特征在于,将所述重组表达载体采用电转化法转化到所述普里斯特氏菌内。
9.如权利要求1至5中任一项所述的普里斯特氏工程菌在聚羟基烷酸酯生产中的应用。
10.一种生产聚羟基烷酸酯的方法,其特征在于,包括培养如权利要求1至5中任一项所述的普里斯特氏工程菌并使所述普里斯特氏工程菌生产聚羟基烷酸酯的步骤。
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