一种生物制备甘露寡糖的方法

文档序号:998676 发布日期:2020-10-23 浏览:25次 >En<

阅读说明:本技术 一种生物制备甘露寡糖的方法 (Method for biologically preparing mannan oligosaccharide ) 是由 杨建刚 孙媛霞 田朝玉 曾艳 马延和 于 2020-06-19 设计创作,主要内容包括:本发明公开了一种生物制备甘露寡糖的方法,涉及构建体外多酶催化反应体系,实现转化甘露糖合成甘露寡糖;本发明还公开了重组谷氨酸棒杆菌的构建方法,并将重组菌株应用于甘露寡糖的发酵合成,实现了以甘露糖为原料发酵法合成甘露二糖和甘露三糖产物,并且实现发酵生产单一产物甘露三糖,便于产物分离纯化,所获得的甘露寡糖可应用于食品、医药、化妆品等领域。(The invention discloses a method for biologically preparing mannan oligosaccharide, which relates to the construction of an in vitro multi-enzyme catalytic reaction system to realize the synthesis of mannan oligosaccharide by converting mannose; the invention also discloses a construction method of the recombinant corynebacterium glutamicum, and the recombinant strain is applied to fermentation synthesis of mannooligosaccharide, so that a method for synthesizing mannobiose and mannotriose products by taking mannose as a raw material through a fermentation method is realized, single product mannotriose is produced through fermentation, separation and purification of the product are facilitated, and the obtained mannooligosaccharide can be applied to the fields of food, medicine, cosmetics and the like.)

一种生物制备甘露寡糖的方法

技术领域

本发明涉及生物技术领域,具体涉及一种生物制备甘露寡糖的方法,属于生物制造领域。

背景技术

甘露寡糖(MOS)及其衍生物是自然界中存在的一系列功能化合物,例如甘露寡糖由2至10个甘露糖组成的低度聚合糖,因为这些寡糖具有多种多样的结构,因而衍生出不同的生物学功能,并在食品、制药和动物饲料等行业中发挥着重要作用。首先,MOS同样可以选择性促进人类肠道有益菌群增长,可以作为非营养性食品添加剂。此外,甘露二糖能够明显改善和提高鸡的免疫能力,增强对沙门氏菌的杀伤力,因而可用作饲料以控制沙门氏菌在家禽中的传染。

魔芋、角豆胶、瓜儿豆胶等来源的甘露聚糖经甘露聚糖酶水解可用于制备甘露寡糖,该方法是目前的甘露寡糖主要制备途径。然而,单纯依赖酶法水解或提取甘露寡糖及其衍生物,一方面,无法获得聚合度均一的产品,往往需要复杂的分离纯化工艺;另一方面,生产方法依赖于天然多糖资源,限制了寡糖产物多样性。因此,亟待开发新的甘露寡糖的绿色制备技术,获得产品单一、构型多样及结构可控的甘露寡糖产品,建立低成本、高效率的生物合成技术,为甘露寡糖更广范围内应用提供基础。

发明内容

本发明目的一是提供一种制备甘露寡糖的方法,其以甘露糖为底物,通过体外多酶催化反应催化生产甘露寡糖,该方法具有产率高、环境友好、产物构型单一等优点。

其特征在于,以甘露糖为底物,加入甘露糖激酶和甘露糖磷酸化酶,进行多酶催化反应。在本发明中,甘露糖为底物,甘露糖经甘露糖激酶催化转化为甘露糖-1-磷酸,甘露糖-1-磷酸和甘露糖经甘露糖磷酸化酶催化生成甘露二糖和甘露三糖。

优选地,甘露糖原料可以是甘露糖纯品也可以是采用酸解或者酶转化方法转化魔芋、淀粉、纤维素、蔗糖、麦芽糖、果糖、葡萄糖、甘露醇等原料获得的甘露糖。

优选地,多酶催化反应中甘露糖的浓度为1-200g/L,进一步优选为5-50g/L,更优选为8-20g/L,最优选为20g/L。

优选地,多酶催化反应的反应温度为10-95℃,进一步优选为20-80℃,更优选为30-60℃,最优选为37℃。

优选地,多酶催化反应的反应时间为0.5-150小时,进一步优选为1-60小时,更优选为6-48小时,最优选为30小时。

优选地,多酶催化反应中还加入缓冲液、磷酸盐、金属离子。

优选地,甘露糖激酶来源于长双歧杆菌(SEQ ID NO:1),或其氨基酸序列与上述来源的甘露糖激酶具有至少60%,优选至少80%,更优选至少90%,最优选至少95%的同一性;甘露二糖磷酸化酶来源于高温厌氧杆菌属(SEQ ID NO:2),或其氨基酸序列与上述来源的甘露二糖磷酸化酶具有至少60%,优选至少80%,更优选至少90%,最优选至少95%的同一性。

本发明目的二是提供发酵生产甘露寡糖的微生物重组菌株的构建方法。

所述重组菌株的构建方法包括以下步骤:

1)向微生物重组菌株中引入由甘露糖激酶和甘露糖磷酸化酶组成的甘露寡糖合成途径。

2)增强微生物体内的甘露糖6-磷酸变位酶,促使胞内甘露糖6-磷酸转化为前体甘露糖1-磷酸。

所述微生物重组菌株的构建方法适用于多种微生物模式菌株,包括,大肠杆菌,谷氨酸棒杆菌,枯草芽孢杆菌,乳酸菌,酿酒酵母等微生物。

本发明目的三是提供用于发酵生产甘露寡糖的谷氨酸棒杆菌重组菌株的构建方法。

所述重组菌株的构建方法包括以下步骤:

1)在谷氨酸棒杆菌中引入来源于长双歧杆菌的甘露糖激酶MK(SEQ ID NO:1)和来源于高温厌氧杆菌属的甘露二糖磷酸化酶MBP(SEQ ID NO:2),得到谷氨酸棒杆菌重组菌株,命名为菌株MOS1;

2)向重组谷氨酸棒杆菌MOS1中引入来源于大肠埃希氏菌的甘露糖6-磷酸变位酶ManB(SEQ ID NO:3),得到重组谷氨酸棒杆菌,命名为MOS2;

所述步骤1)中重组谷氨酸棒杆菌MOS1的具体方法包括以下步骤:

委托江苏金唯智生物技术有限公司合成来源于长双歧杆菌的甘露糖激酶MK基因(SEQ ID NO:4)和来源于高温厌氧杆菌属的甘露二糖磷酸化酶MBP基因(SEQ ID NO:5),并要求其提供含有甘露糖激酶基因的载体pUC57-MK和含有甘露二糖磷酸化酶基因的载体pUC57-MBP;以质粒pUC57-MK为模板PCR扩增甘露糖激酶基因,以质粒pUC57-MBP为模板PCR扩增甘露二糖磷酸化酶MBP基因,连接至载体pEC-XK99E中,得到携带有MK基因和MBP基因的重组载体,命名为pE-MK-MBP;通过电转化方式向谷氨酸棒杆菌中导入重组质粒pE-MK-MBP,得到谷氨酸棒杆菌重组菌株MOS1。

所述步骤2)中重组谷氨酸棒杆菌MOS2的具体方法包括以下步骤:

PCR扩增来源于大肠埃希氏菌的甘露糖6-磷酸变位酶ManB基因(SEQ ID NO:6),连接入载体pE-MK-MBP中,得到携带甘露糖激酶MK基因、甘露二糖磷酸化酶MBP基因和甘露糖6-磷酸变位酶ManB基因的重组载体,命名为pE-MK-MBP-ManB,通过电转化方式向谷氨酸棒杆菌中导入重组质粒pE-MK-MBP-ManB,得到谷氨酸棒杆菌重组菌株MOS2。

本发明目的四是提供一种发酵法生产甘露寡糖的方法,其特征在于,培养本发明目的之三所述构建方法得到的谷氨酸棒状杆菌重组菌株MOS1和MOS2,以甘露糖为底物,发酵生产甘露二糖、甘露三糖、甘露四糖等甘露寡糖。

在优选的实施方式中,所述的方法,其特征在于,发酵生产条件初始菌体密度菌体浓度(OD600)为0.5-60;温度30-37℃;甘露糖为20-100g/L。

本发明的谷氨酸棒杆菌重组菌株可应用于甘露糖基寡糖及其衍生物的合成领域中,所获得的甘露寡糖将在食品和医药行业具有广泛的应用前景。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为甘露基寡糖的合成技术路线。

图2为谷氨酸棒杆菌重组菌株合成甘露寡糖的高效液相色谱分析结果。

具体实施方式

以下结合实施例进一步详述本发明。

本发明及实施例中提到的百分比浓度如无特别说明均为质量/质量(W/W,单位g/100g)百分比浓度、质量/体积(W/V,单位g/100mL)百分比浓度或体积/体积(V/V,单位mL/100mL)百分比浓度。

下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法,具体步骤可参见:《Molecular Cloning:A Laboratory Manual》(Sambrook,J.,Russell,David W.,Molecular Cloning:A Laboratory Manual,3rd edition,2001,NY,Cold SpringHarbor)。

各实施例中所用相同名称的材料或试剂如无特别说明即为相同的。实施例中描述到的各种生物材料的取得途径仅是提供一种实验获取的途径以达到具体公开的目的,不应成为实施本发明时对生物材料来源的限制。事实上,所用到的生物材料的来源是广泛的,任何不违反法律和道德伦理能够获取的生物材料都可以按照实施例中的提示替换使用。

本发明中所用引物由江苏金唯智生物技术有限公司合成。

实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,实施例将有助于理解本发明,但是本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1体外多酶催化将甘露糖转化为甘露寡糖

通过体外多酶催化体系将甘露糖转化为甘露寡糖的催化途径见图1。其中涉及的关键酶与关键步骤包括:(1)甘露糖激酶,用于催化甘露糖磷酸化生成甘露糖1-磷酸;(2)甘露二糖磷酸化酶,用于催化甘露糖-1-磷酸和甘露糖生成甘露寡糖。

在本实施例中,甘露糖激酶来源于长双歧杆菌,氨基酸序列在UniProt上的编号为B7GN78(SEQ ID NO:1);甘露二糖磷酸化酶来源于高温厌氧杆菌属,氨基酸序列在UniProt上的编号为B0K2C3(SEQ ID NO:2)。

委托江苏金唯智生物技术有限公司合成来源于长双歧杆菌的甘露糖激酶MK基因(SEQ ID NO:4)和来源于高温厌氧杆菌属的甘露二糖磷酸化酶MBP基因(SEQ ID NO:5),并要求其提供含有甘露糖激酶MK基因的载体pUC57-MK和含有甘露二糖磷酸化酶MBP基因的载体pUC57-MBP。以合成的甘露糖激酶MK基因序列和甘露二糖磷酸化酶基因序列设计引物,分别以质粒pUC57-MK和pUC57-MBP为模板,PCR扩增获得MK基因和MBP基因,通过限制性酶切连接方法,连接至载体pET21中,得到重组质粒pET21-MK和pET21-MBP。将这两个质粒分别转化至大肠杆菌表达菌BL21(DE3)(Invitrogen,Carlsbad,CA)中,进行蛋白质表达与纯化。

随后反应体系中含有25mM PBS缓冲液(pH 7.5),5mM的二价镁离子,2U/mL甘露糖激酶,4U/mL甘露二糖磷酸化酶,20g/L甘露糖,50mM ATP,在37℃进行催化反应,反应时间为30个小时。

高效液相色谱检测甘露寡糖的浓度,经标准曲线斜率计算,反应体系合成6.1g/L甘露二糖和2.6g/L甘露三糖,相对于甘露糖转化率为53.4%。

实施例2、构建谷氨酸棒杆菌重组菌株MOS1和MOS2

1、谷氨酸棒杆菌重组菌株MOS1的构建,包括以下步骤:

1.1、在谷氨酸棒杆菌重组菌株中引入甘露糖激酶MK基因和甘露二糖磷酸化酶MBP基因,得到谷氨酸棒杆菌重组菌株,命名为菌株MOS1。

具体构建过程如下:

分别以质粒pUC57-MK和pUC57-MBP为模板,PCR扩增获得MK基因和MBP基因,通过限制性酶切连接方法,连接至载体pEC-XK99E中,得到重组质粒pE-MK-MBP。

1.2、通过电转化方法向谷氨酸棒杆菌重组菌株中导入重组载体pE-MK-MBP,得到携带有甘露糖激酶MK基因和甘露二糖磷酸化酶MBP基因的谷氨酸棒杆菌重组菌株,命名为菌株MOS1。

2、谷氨酸棒杆菌重组菌株MOS2的构建,包括以下步骤:

2.1、根据Genbank中大肠埃希氏菌MG1655的甘露糖6-磷酸变位酶ManB基因(SEQID NO:8),设计引物,以大肠杆菌MG1655基因组DNA为模板,PCR扩增来甘露糖6-磷酸变位酶ManB基因,采用酶切连接方法连接入载体pE-MK-MBP中,得到重组载体pE-MK-MBP-ManB。

2.2、采用电转化方法向谷氨酸棒杆菌重组菌株中导入重组载体pE-MK-MBP-ManB,得到携带有甘露糖激酶基因、甘露二糖磷酸化酶基因和甘露糖6-磷酸变位酶基因的谷氨酸棒杆菌重组菌株,命名为菌株MOS2。

实施例3、谷氨酸棒杆菌重组菌株MOS1和MOS2在甘露寡糖合成中的应用

谷氨酸棒杆菌重组菌株在甘露寡糖合成中的应用包括以下步骤:

选用BHI丰富培养基(脑心浸粉37g/L),培养基中添加甘露糖(20g/L).在30℃、200rmp条件下对谷氨酸棒杆菌重组菌株MOS1进行48h发酵培养。发酵结束后,对样品进行14000rmp离心20min,并用0.22μm的微孔滤膜过滤,滤液做高效液相分析。高效液相色谱分析按如下条件进行:仪器为安捷伦高效液相色谱仪1200,分析柱:Sugar-Pak,流动相:超纯水,流速:0.4mL/min,柱温:80℃,检测器:示差折光检测器,上样量为10μl。

结果如图2((a)表示发酵0h;(b)表示发酵48h)所示,可以看出,经过48小时反应,重组菌株MOS1可以发酵甘露糖合成甘露二糖和甘露三糖,二者总产量为7.1g/L,其中甘露三糖产量为5.4g/L,甘露二糖产量为1.7g/L。与重组菌株MOS1相比,重组菌株MOS2产量提高30.9%,达到9.2g/L。

实施例4、谷氨酸棒杆菌重组菌株MOS2制备单一产物甘露三糖

1、谷氨酸棒杆菌重组菌株的培养

选用丰富培养基,在30℃、200rmp条件下对谷氨酸棒杆菌重组菌株MOS2进行培养,得到的谷氨酸棒杆菌重组菌株菌液,离心收集菌体。

2、以甘露糖为底物生产甘露三糖

取谷氨酸棒杆菌重组菌株MOS2的浓缩菌液,加入终浓度为40g/L的甘露糖进行发酵,发酵条件为:温度30℃,pH 7.0,菌体浓度(OD600)为60。

发酵结束后,对样品进行高效液相色谱检测,经过48小时反应,重组菌株MOS2发酵甘露糖获得单一产物甘露三糖,产量为5.0g/L。

序列表

<110> 中国科学院天津工业生物技术研究所

<120> 一种生物制备甘露寡糖的方法

<130> 2020.5.25

<160> 6

<170> SIPOSequenceListing 1.0

<210> 1

<211> 359

<212> PRT

<213> 长双歧杆菌()

<400> 1

Met Asn Asn Thr Asn Glu Ala Leu Phe Asp Val Ala Ser His Phe Ala

1 5 10 15

Leu Glu Gly Thr Val Asp Ser Ile Glu Pro Tyr Gly Asp Gly His Ile

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35 40 45

Arg Met Asn Thr Gly Ile Phe Pro Asp Thr Val Asn Leu Met Arg Asn

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Gly Ala Trp Arg Val Tyr Lys Phe Ile Glu His Thr Met Ser Tyr Asn

100 105 110

Leu Val Pro Asn Pro Asp Val Phe Arg Glu Ala Gly Arg Ala Phe Gly

115 120 125

Asp Phe Gln Asn Phe Leu Ser Gly Phe Asp Ala Asn Gln Leu Thr Glu

130 135 140

Thr Ile Ala His Phe His Asp Thr Pro His Arg Phe Glu Asp Phe Lys

145 150 155 160

Lys Ala Leu Ala Ala Asp Glu Leu Gly Arg Ala Ala Gly Cys Gly Pro

165 170 175

Glu Ile Glu Phe Tyr Leu Ser His Ala Asp Gln Tyr Ala Val Val Met

180 185 190

Asp Gly Leu Arg Asp Gly Ser Ile Pro Leu Arg Val Thr His Asn Asp

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210 215 220

Ala Ile Ile Asp Leu Asp Thr Ile Met Pro Gly Ser Met Leu Phe Asp

225 230 235 240

Phe Gly Asp Ser Ile Arg Phe Gly Ala Ser Thr Ala Leu Glu Asp Glu

245 250 255

Arg Asp Leu Asp Lys Val His Phe Ser Thr Glu Leu Phe Arg Ala Tyr

260 265 270

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355

<210> 2

<211> 302

<212> PRT

<213> 高温厌氧杆菌属()

<400> 2

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245 250 255

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<210> 3

<211> 456

<212> PRT

<213> 大肠埃希氏菌()

<400> 3

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1 5 10 15

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Gly Glu Phe Leu Lys Pro Lys Thr Ile Val Leu Gly Gly Asp Val Arg

35 40 45

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Gly Ala Arg Pro Ile Ser Gly Asp Thr Gly Leu Arg Asp Val Gln Arg

115 120 125

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165 170 175

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<210> 4

<211> 1080

<212> DNA

<213> 长双歧杆菌()

<400> 4

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gacattgtgc gtaccaccag cggtgacacc tgggcggaaa tcgatggtgg cgcgtggcgt 300

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<210> 5

<211> 1395

<212> DNA

<213> 高温厌氧杆菌属()

<400> 5

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<210> 6

<211> 1371

<212> DNA

<213> 大肠埃希氏菌()

<400> 6

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