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Title:
NUCLEIC ACID MOLECULE ENCODING XYLOSE ISOMERASE AND XYLOSE ISOMERASE ENCODED THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/113120
Kind Code:
A1
Abstract:
A new nucleotide sequence of xylose isomerase obtained from the metagenomic library of cattle rumen liquor and the amino acid sequence encoded thereof, vectors and transformants containing the said nucleotide sequence are provided. The said xylose isomerase which expresses in Saccharomyces cerevisiae with high-activity is mesophilic, and its optimum temperature is 60℃. Uses of the said xylose isomerase in producing fuel ethanol and high fructose corn syrups are also provided.

Inventors:
BAO XIAOMING (CN)
SHEN YU (CN)
GE RUILEI (CN)
Application Number:
PCT/CN2011/001014
Publication Date:
August 30, 2012
Filing Date:
June 20, 2011
Export Citation:
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Assignee:
SHAN DONG UNIVERSITY (CN)
BAO XIAOMING (CN)
SHEN YU (CN)
GE RUILEI (CN)
International Classes:
C12N15/61; C12N1/19; C12N1/21; C12N9/90; C12N15/63; C12P5/02; C12P7/06; C12P7/18; C12P7/20; C12P7/50; C12P7/54; C12P7/56; C12P13/00; C12P19/24; C12P35/00; C12P37/00; C12R1/01; C12R1/645; C12R1/85
Domestic Patent References:
WO2003062340A12003-07-31
WO2004099381A22004-11-18
WO2006009434A12006-01-26
WO2010074577A12010-07-01
Foreign References:
CN1703514A2005-11-30
CN1966678A2007-05-23
CN101283096A2008-10-08
CN101323858A2008-12-17
CN1712528A2005-12-28
Other References:
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DATABASE GENBANK [online] 9 June 2010 (2010-06-09), WARD,D. ET AL.: "Xylose isomerase [Prevotella buccae D17]", XP003030105, Database accession no. ZP_06420872
DATABASE GENBANK [online] 10 December 2010 (2010-12-10), "Xylose isomerase [Prevotella bergensis DSM 17361]", XP003030107, Database accession no. ZP_06006100
DATABASE GENBANK [online] 15 April 2005 (2005-04-15), HARHANGI, H.R. ET AL.: "Xylose isomerase [Piromyces sp. E2]", XP003030108, Database accession no. CAB76571
DATABASE GENBANK [online] 15 November 2010 (2010-11-15), TASSE, L. ET AL.: "Uncultured organism clone 23 genomic sequence", XP003030109, Database accession no. GU942940
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See also references of EP 2679686A4
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WALFRIDSSON ET AL., APPL ENVIRON MICROBIOL, vol. 61, 1995, pages 4184 - 4190
SEDLAK ET AL., APPL BIOCHEM BIOTECHNOL, vol. 113-116, 2004, pages 403 - 416
KUYPER ET AL., FEMS YEAST RESEARCH, vol. 4, 2004, pages 655 - 664
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BHOSALE ET AL., MICROBIOL REV, vol. 60, no. 2, 1996, pages 280 - 300
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KUYPER ET AL., FEMS YEAST RESEARCH, vol. 4, 2003, pages 69 - 78
LONN ET AL., EUROPEAN JOURNAL OF BIOCHEMISTRY, vol. 269, no. 1, 2002, pages 157 - 163
Attorney, Agent or Firm:
JINAN SHENGDA INTELLECTUAL PROPERTY AGENCY CO., LTD (CN)
济南圣达知识产权代理有限公司 (CN)
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Claims:
权利要求书

1. 一种编码木糖异构酶的核酸分子, 其特征在于, 其序列为以下核苷酸序列之一:

( 1 ) SEQ ID NO. 1所示的核苷酸序列;

(2) SEQ ID NO. 1所示的核苷酸序列添加、 取代、 缺失或插入一个或多个核苷酸的具有 至少 40%序列一致性的同源序列;

(3) 在严格条件下, 与(1)或(2) 的核苷酸序列杂交的核苷酸序列;

(4) 由于遗传密码子的简并性区别于 (3) 的核苷酸序列的核苷酸序列。

2. 一种木糖异构酶, 其特征在于, 其序列为以下氨基酸序列之一:

( 1 ) SEQ ID NO. 2所示的氨基酸序列;

(2) SEQ ID NO. 2所示的氨基酸序列添加、 取代、 缺失或插入一个或多个氨基酸的具有 至少 40%序列一致性的同源序列。

3. 一种重组载体,其特征在于:所述重组载体含有权利要求 1所述的编码木糖异构酶的核酸 分子的完整编码阅读框序列。 '

4. 一种重组细胞, 其特征在于: 所述宿主细胞为细菌、酵母或丝状真菌, 宿主细胞内含有权 利要求 3所述的重组载体。

5. 根据权利要求 4所述的重组细胞, 其特征在于: 所述宿主细胞包含一种遗传修饰, 该遗传 修饰降低非特异性醛糖还原酶活性。

6. 根据权利要求 4所述的重组细胞, 其特征在于: 所述宿主细胞包含一种或多种遗传修饰, 该遗传修饰产生选自如下一组的特征:

( 1 )增加木糖转运到宿主细胞内;

(2)木酮糖激酶活性增强;

(3) 戊糖磷酸途径的流量增加; '

(4)对分解代谢物阻遏的敏感性降低;

(5)对乙醇、 渗透性或有机酸的耐受力增强;

(6)副产物生成下降;

(7)细胞电子链传递和氧化呼吸链阻断。

7. 根据权利要求 5所述的重组细胞, 其特征在于: 所述遗传修饰由过度表达内源基因、表达 异源基因或其组合组成, 且所述基因选自下列基因: 己糖或戊糖转运蛋白基因、木酮糖激 酶基因、来自戊糖磷酸途径的酶的基因、糖酵解酶的基因或 /和乙醇发酵相关的酶的基因。

8. 根据权利要求 5、 6或 7所述的重组细胞, 其特征在于: 所述宿主细胞表达一种或多种酶, 所述的酶赋予宿主细胞产生乳酸、 乙酸、 琥珀酸、 氨基酸、 1, 3-丙二醇、 乙烯、 甘油、 e 一円酰胺杌生素或 /和头孢菌素的能力。

9. 利用权利要求 8所述的重组细胞生产发酵产物的方法,其特征在于:所述宿主细胞发酵含 有木糖原料或 /和葡萄糖原料的培养基, 然后分离纯化发酵产物, 所述发酵产物为乳酸、 乙酸、 璩珀酸、 氨基酸、 1,3-丙二醇、 乙烯、 甘油、 0—内酰胺抗生素或 /和头孢菌素。

10.权利要求 2所述的木糖异构酶在燃料乙醇生产或高果糖浆生产中的应用。

J1

Description:
一种编码木糖异构酶的核酸分子及其编码的木 糖异构酶 技术领域

本发明涉及一种新的编码木糖异构酶的核酸分 子及其编码的木糖异构酶。 本发明涉及木 糖异构酶酶学性质的研究。 本发明涉及木糖异构酶在酶基因工程技术领域 的应用。 本发明还 涉及用编码木糖异构酶的核酸序列转化的宿主 细胞。

背景技术

石油价格的持续上涨和温室效应引起的全球变 暖, 使得人们越来越重视可再生能源的开 发和利用。 生物质能便是一种重要的可再生能源, 以生物质为原料生产燃料乙醇具有广阔的 发展空间。 长期以来, 人们利用淀粉和糖类发酵生产乙醇。 这些原料成本较高, 大大限制了 生物质燃料乙醇产业的发展。在全球每年光合 作用生产的高达 1500亿吨〜 2000亿吨的生物 质中 80%以上为木质纤维素类物质, 它十分廉价且容易获得, 因此以木质纤维素为原料生产 燃料乙醇, 具有重要的实践意义。 木质纤维素是纤维素、 半纤维素和木质素等的聚合物。 利 用酸解或酶解的方法可将木质纤维素转化为大 量的五碳糖 (木糖和阿拉伯糖) 和六碳糖 (葡萄 糖、 半乳糖和甘露糖)。 木糖在大多数木质纤维素水解物中是含量仅次 于葡萄糖的一种单糖, 可达 30%。分析表明, 充分利用木质纤维素原料中的木糖发酵生产乙 醇能使乙醇产量在原有 基础上提高 25% (Nigam et al., J Appl Microbiol, 2001, 90 (2): 208-215)。 但是, 大部 分能够进行乙醇发酵的酿酒酵母(■fecc ^/O/zy^e cere^sise)不能够以木糖作为碳源。 所以, 如何通过对已有菌株进行改造使其能高效利用 木糖产乙醇己成为使木质纤维素资源得以充分 利用的关键问题之一。

自然界利用木糖的酵母菌同化木糖的最初两步 反应是在木糖还原酶 (xylose reductase, XR)及木糖醇脱氢酶(xylitoldehydrogenase, XDH)催化下完成的。 木糖首先在 XR的催化下, 还原成木糖醇, 随后由 XDH氧化成木酮糖(Tr f f et al. , Appl Environ Microbiol, 2001, 67: 5668-5674)。 在大多数细菌, 如 £ coli和 Bacillus等中, 木糖通过木糖异构酶 (XI)直接 转化为木酮糖(Tr¾ff et al. , Appl Environ Microbiol, 2001, 67: 5668-5674)。 然后, 木 酮糖在木酮糖激酶(XK)的作用下转变成 5-磷酸木酮糖,进入磷酸戊糖途径。 酿酒酵母 {Saccharomyce cerevisise)具有高的酒精产量和产率,对抑制因 以及发酵过程中的不利因 素的高耐受性,对高浓度酒精的耐受以及非致 性等优良特性。但由于缺乏木糖代谢的最初 个酶 XR和 XDH而不能代谢木糖。为了使酿酒酵母具有发酵 木糖的能力, 将依赖 NAD(P) H 的 XR 及依赖 NAD+的毕赤酵母 XDH 克隆到其中,得到能够发酵木糖生产酒精的重 组菌

1

确认本 (Walfridsson et al. , Appl Environ Microbiol, 1995, 61 : 4184-4190; Sedlak et al. , Appl Biochem Biotechnol, 2004, 113-116: 403-416)。 但同时带来的问题是: XR对 NADPH 的亲 和性远远大于 NADH, 这就导致在 XDH催化的木糖醇氧化成木酮糖的过程中, 辅因子的不平 衡,其直接后果就是副产物木糖醇的积累和甘 油等的生成,从而影响终产物酒精的产量。 木糖 异构酶因不需要辅助因子, 因此它再次受到研究者们的注意(Kuyper et al. , FEMS Yeast Research, 2004, 4 : 655—664)。

木糖异构酶 (Xylose isomerase, XI) ( EC5. 3. 1. 5)可以催化五碳糖 D-木糖转化为 D-木 酮糖,微生物体内的糖代谢工程起着重要的作 用;在体外亦能催化 D-葡萄糖到 D-果糖的异构 化反应, 所以又称为葡萄糖异构酶。 在基础研究方面, 由于该酶的结构非常稳定, 是研究蛋 白质结构与功能关系较好的模型之一(Bhosale et al. , Protein Eng Des Sel, 12004, 17 ( 12) : 861- 869)。 更重要的是, 木糖异构酶所具有的极其重要的工业应用价值 , 使它和蛋白酶及淀 粉酶并称为重要的工业用酶(田沈等微生物学 通报, 2007, 34 ( 2 ) : 355- 358; Bhosale et al. , Microbiol Rev, 1996, 60 ( 2 ) :280 - 300)而引起科学家们的关注, 并对其开展了较为 广泛的研宄。从上个世纪 70年代以来, 木糖异构酶的应用主要集中在高果糖浆生产和 燃料乙 醇产生两个方面。 然而, 近几年, 科学家研究发现, 在一定条件下木糖异构酶可以转化生产 许多制药工业重要的原料稀有糖, 如核糖、 甘露糖、 阿拉伯糖、 来苏糖等 (Karimaki et al. , Protein Eng Des Se, 12004, 17 ( 12) : 861- 869)。 这些发现为木糖异构酶的研究注入 新的活力。

据报道,虽然多种细菌来源的木糖异构酶基因 曾被插入到酿酒酵母中,但是常见嗜温性 原核生物的 XI在酿酒酵母中不能表达有活性的 XI。 在目前已公布的约 450个木糖异构酶氨 基酸序列中, 两种来自啫热细菌的 XI在酿酒酵母中表达产物在 85Ό下具有 lU/mg的木糖异 构酶特异活性, 但是, 在酿酒酵母的生理温度 (30 D C)仅仅保留这种活性的极少部分。 其他 来源的能够在酿酒酵母中活性表达的木糖异构 酶基因来源包括真菌 Piromyces sp~E2, Orpinomyces 5p-Ukkl, Cyllamyces aberensis和细菌 Clostridium phytofermen tans , Clostridium difficile, Bacteroides fragilis, Fusobac terium-mortiferum 及 Ciona intestinaliso 其中, 仅仅有真菌 Piromyces sp~E2, 细菌 lostridium phytofermen tans 来源的木糖异构酶在酿酒酵母中得到较高活性 表达, 尤其是前者的活性更高。

发明内容

针对上述现有技术,本发明提供了一种新来源 的嗜温性木糖异构酶,及编码该酶的基因, 以及表达该酶的宿主细胞。 本发明是通过以下技术方案实现的- 一种编码木糖异构酶的核酸分子, 其序列为以下核苷酸序列之一-

( 1 ) SEQ ID NO. 1所示的核苷酸序列;

(2) SEQ ID NO. 1 所示的核苷酸序列添加、 取代、 缺失或插入一个或多个核苷酸的具 有至少 40%序列一致性的同源序列;

(3)在严格条件下, 与(1)或(2) 的核苷酸序列杂交的核苷酸序列;

(4) 由于遗传密码子的简并性区别于(3) 的核苷酸序列的核苷酸序列。

一种木糖异构酶, 其序列为以下氨基酸序列之一:

( 1 ) SEQ ID NO. 2所示的氨基酸序列;

(2) SEQ ID NO. 2所示的氨基酸序列添加、 取代、 缺失或插入一个或多个氨基酸的具 有至少 40%序列一致性的同源序列。

本发明的编码木糖异构酶的核苷酸编码的氨基 酸不包括选自以下各组的氨基酸序列:

( 1 ) Piromyces ·¾?~Ε2木糖异构酶在 W0 03/062340中公开的序列;

(2) Bacteroides t/wta otaomicron木糖异构鵜在 W0 04/099381和 W0 06/009434中 公开的序列;

(3) Cyllamyces abereyw s木糖异构酶在 W0 04/099381中公开的序列;

(4) Orpinomyces sp- Μϋ 木糖异构酶在 Madhavan et al. (2008, supra) 中公开的序 列;

(5) Clostridium difficile, Fusobacterium-mortiferum ~ Ciona intestinal is β¾ 木糖异构酶在 W0 2010/074577中公开的序列。

本发明的编码木糖异构酶的核苷酸编码的氨基 酸序列,其序列不包括选自以下各组的氨 基酸序列 : 序列 一致性高于选 自 以 下各组的氨基酸序列 的 99, 98, 97, 96, 95, 94, 93, 92, 91, 90, 89, 88, 87, 86, 85, 84, 83, 82, 81, 80, 79, 78, 77, 76, 75, 74, 73, 7 2, 71或 70%的氨基酸序列。

( 1 ) Piromyces ·5/τ£2木糖异构酶在 W0 03/062340中公开的序列;

(2) Bacteroides i ?eia oiaoM'c W7木糖异构酶在 W0 04/099381和 W0 06/009434中 公开的序列;

(3) Cyllamyces aber s s木糖异构酶在 W0 04/099381中公开的序列;

(4) Orpinomyces s KJkkl 木糖异构酶在 Madhavan et al. (2008, supra) 中公开的序 (5) Clostridium difficile, Fusobacterium-mortiferum Ciona intestinal is β¾ 木糖异构酶在 WO 2010/074577中公开的序列。

所述木糖异构酶在化工、 食品和医疗等领域的应用。

本发明的木糖异构酶具有的极其重要的工业应 用价值,其应用主要集中在高果糖浆生产 和燃料乙醇产生两个方面。 在一定条件下木糖异构酶还可以转化生产许多 制药工业重要的原 料稀有糖, 如核糖、 甘露糖、 阿拉伯糖、 来苏糖等。 在基础研宄方面, 由于该酶的结构非常 稳定, 是研究蛋白质结构与功能关系较好的模型之一 。

一种重组载体, 其含上述的编码木糖异构酶的核酸分子的完整 编码阅读框序列。

一种重组细胞, 其宿主细胞为细菌、 酵母或丝状真菌, 优选具有厌氧乙醇发酵能力的酵 母; 宿主细胞内含有上述的重组载体, 编码木糖异构酶的核苷酸序列被可操作地连接 于宿主 细胞中引起木糖异构酶充分表达的启动子, 从而赋予了宿主胞将木糖异构化木酮糖的能力 。

所述宿主细胞优选含有主动糖酵解、 戊糖磷酸途径和含有木酮糖激酶活性使得从木 糖异 构得到的木酮糖可以被代谢为丙酮酸的宿主细 胞。

所述宿主细胞优选含有将丙酮酸转化为期望的 分解代谢物如乙醇、 乙烯或乳酸的酶的宿 主细胞。

所述宿主细胞优选具有厌氧乙醇发酵能力的酵 母;

所述宿主细胞还优选对乙醇和有机酸如乙酸、 乳酸或蚁酸及糖分解代谢物如糠醛和羟甲 基糠醛具有耐受能力的宿主细胞。

上述宿主细胞的这些特征或活性之一可以是天 然存在于宿主细胞或通过遗传修饰被引入 或改进。

所述宿主细胞包含一种遗传修饰, 该遗传修饰降低非特异性醛糖还原酶活性。

所述宿主细胞具有将 L-阿拉伯糖转化为 D-木酮糖 5-磷酸的能力。

所述宿主细胞包含一种或多种遗传修饰, 该遗传修饰产生选自如下一组的特征:

( 1 )增加木糖转运到宿主细胞内;

(2)木酮糖激酶活性增强;

(3)戊糖磷酸途径的流量增加;

(4)对分解代谢物阻遏的敏感性降低;

(5)对乙醇、 渗透性或有机酸的耐受力增强;

(6)副产物生成下降;

(7)细胞电子链传递和氧化呼吸链阻断。 所述副产物被理解为是指含碳分子而不是期望 的发酵产物,包括如木糖醇、甘油或乙酸。 所述遗传修饰由过度表达内源基因、 表达异源基因或其组合组成, 且所述基因选自下列 基因: 己糖或戊糖转运蛋白基因、 木酮糖激酶基因、 来自戊糖磷酸途径的酶的基因、 糖酵解 酶的基因或 /和乙醇发酵相关的酶的基因。

所述宿主细胞表达一种或多种酶, 所述的酶赋予宿主细胞产生乳酸、 乙酸、 琥珀酸、 氨 基酸、 1,3-丙二醇、 乙烯、 甘油、 β -内酰胺抗生素或 /和头孢菌素等系列代谢产物的能力。

一种利用上述重组细胞生产发酵产物的方法: 宿主细胞发酵含有木糖原料或 /和葡萄糖原 料的培养基, 然后分离纯化发酵产物, 所述发酵产物为乳酸、 乙酸、 琥珀酸、 氨基酸、 1, 3 - 丙二醇、 乙烯、 甘油、 内酰胺抗生素或 /和头孢菌素。

上述被转化的宿主细胞异构木糖为木酮糖的能 力是直接将木糖异构化为木酮糖, 不同于 木糖通过木糖醇过度两步转化为木酮糖, 其分别由木糖还原酶和木糖醇脱氢酶催化。

本发明的编码木糖异构酶的核苷酸序列以活性 形式在被转化的宿主细胞中表达, 因此, 核苷酸序列在宿主细胞中表达生成具有特定活 性的木糖异构酶。 在被转化的宿主细胞中表达 的木糖异构酶特异性活性在此定义为宿主细胞 的无细胞溶解产物如酵母的无细胞溶解产物中 的每 mg蛋白的木糖异构酶活性单位量。木糖异构酶 性的确定、蛋白含量和无细胞溶解产物 的制备在下述实施例 2中描述。新木糖异构酶在酿酒酵母中高活性 达。 30°C下,采用 XI-SDH 一步法测定木糖异构酶酶活(Kuyper et al. , FEMS Yeast Research, 2003, 4 :69-78), 该酶酶 活为 1. 3U/mg,高于 Piromyces 来源的木糖异构酶酶活 1. lU/rag (Kuyper et al. , FEMS

Yeast Research, 2003, 4:69-78) 。 但是新来源的木糖异构酶是一种嗜温性木糖异 构酶, 最 适酶活温度在 60 C (图 3) 。

附图说明

图 1 : 验证重组细胞中含有木糖异构酶基因 RuXI。 以反提重组酵母质粒为模板, 特异性 引物 BaraHI- GXI-F, Sbfl- GXI- R (表 1 )扩增 RuXI。 M: Marker, lkbDNA ladder 1 : RuXI; 图 2: 验证重组细胞中含有木糖异构酶基因 RuXI。将反提质粒反转到大肠杆菌 DH5 CI中, 提取质粒, fe zHI和 ¾/1双酶切验证结果。 M: Marker, lkbDNA ladder 1 :约1. 31^为 RuXI, 约 6kb的为线性载体 pJFE3;

图 3: 酿酒酵母转化子的新木糖异构酶最适酶活温度 测定;

图 4: 酿酒酵母转化子在含有 20g/L葡萄糖、 20g/L木糖作为碳源的培养基中的生长曲 线;

图 5: 酿酒酵母转化子在含有 20g/L木糖作为唯一碳源的培养基中的生长曲线 图 6: 酿酒酵母转化子在含有 20g/L木糖作为唯一碳源的培养基中的限氧乙醇 酵结果 分析。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例 1 克隆来自牛瘤胃液宏基因组文库的木糖异构酶 的 DNA序列

木糖异构酶保守区域间的部分糖异构酶的 DNA序列的克隆:

以构建好的牛瘤胃液宏基因组文库为模板, 以简并引物 XIcF和 XIcR (表 1 )为引物, PCR扩增, 得到大约 400bp的片段, 将清晰的条带纯化并连接到 T载体上, 任意挑取 22 个釆用通用引物验证的克隆送去测序。测序结 果表明: 22个克隆的 DNA插入片段的序列 全属于木糖异构酶的特有序列。其中 21个克隆的 DNA插入片段的序列为大肠杆菌的木糖 异构酶基因保守序列, 只有一个克隆的 DNA插入片段属于新来源的木糖异构酶基因保守 序列。 该片段命名为 2PXI- 3, 374bp。

表 1 所用的引物序列

Primer Sequence (5'-* 3' )

XIcF(18bp) TGGGG (A/T/C/G) GG (A/T/C/G) CG (A/T/C/G) GA (G/A) GG (A/T/C/G)

XIcR(23bp) GG (A/G) AA (T/C) TG (A/G) TC (A/T/C/G) GT (A/G) TCCCA (A/T/C/G) CC pBK-F GCCGCTCTAGAAGTACTCTCGAGA

pBK-R ATGACCTTGATTACGCCAAGCTCG

pBK-Rl ATTAGGCACCCCAGGCTTTACACT

2PX I-F CAGAAGCGTGAGAAGGAGCACATG

2PX I-R GTGACCAGCCAATGTAGCGTGGTT

2PX I-F2 GATGCTGGGTATGGCTCGTGACTA

2PX I-R2 CAGCATACCAGCGTCAACAGCACA

BamHI-GXI-F GCTCGGATCCATGGCAAAAGAATATTTTCCG

Sbfl-GXI-R CATACCTGCAGGTTATTTGCAGTGGAGGGCGA 木糖异构酶的 5'和 3' DNA序列的克隆:

根据载体 pBK-CMV序列和 2PXI-3序列,设计七个特异性引物: pBK F, pBK-R, pBK-Rl, 2PXI-F, 2PXI-R, 2PXI-F2, 2PXI-R2 (表 1)。 以牛瘤胃液宏基因组文库为模板, 沿目的 片段两侧分别进行 PCR扩增。 由引物 pBK- Rl, 2PXI-F扩增得到基因的 3' 0 片段1^1 ; 由引物 pBK - F, 2PXI-R扩增得到基因的 5' DNA片段 PR。

木糖异构酶全长 DNA序列的克隆:

将 xyl 基因 5'序列和 3'序列拼接,设计特异性引物 BamHI- GXI-F, Sbfl- GXI- R (表 1 )。 以牛瘤胃液宏基因组文库为模板, PCR扩增得到 1320bp xylA基因,命名为 RuXI, 如 SEQ ID NO. 1所示。

实施例 2 在酵母中表达新来源的木糖异构酶 RuXI

构建酵母表达载体:

木糖异构酶 RuXI的 DNA和 聚合酶用于 PCR反应中。用木糖异构酶基因的 5'和 3' 的序列设计引物, 还含有 SbH和 BamHi限制性酶切位点。 PCR产物被克隆到 pJFE3载体 中, 得到重组质粒 pJFE3- RuXI。

构建含有木糖异构酶基因的重组酿酒酵母:

将具有木糖异构酶基因的质粒 pJFE3-RuXI转化到酿酒酵母中。 宿主酿酒酵母菌主要特征 为: 超表达 ¾31和 PPP途径的 RKR TALI ΤΚΙλ 敲除醛糖还原酶基因 Ώ¾3; 且经过 特殊修饰, 宿主酿酒酵母的呼吸途径被阻断。转化子在 SC-URA平板上筛选, 未被转化的细胞 不能在这些平板上生长。

从重组酿酒酵母转化子中提取质粒验证重组细 胞中表达的木糖异构酶为 SEQ ID NO. 2所 示的氨基酸序列:

采用试剂盒提取重组酵母菌中质粒,可以通过 两方面验证重组细胞中表达的木糖异构酶为 SEQ ID NO. 2 所示的氨基酸序列: (1 ) 以所提质粒为模板, 特异性引物 BaraHI-GXI - F, Sbfl-GXI-R (表 1 )扩增 RuXI, ( 2 )用所提质粒转化大肠杆菌 DH5 α中, 提取质粒, Ba iHI和 5¾ 1双酶切。 同时将提取的质粒进行测序, 确定目的基因的序列。

结果- 从重组酿酒酵母中提取的质粒测序结果表明: 目的基因序列与 SEQ ID NO. 1所示的核苷 酸序列一致, 该质粒 PCR (图 1 )及酶切验证(图 2 ) 的结果也表明: SEQ ID N0. 1所示的核 苷酸序列已被转入到酿酒酵母中, 即重组细胞中表达的木糖异构酶为 SEQ ID NO. 2所示的氨 基酸序列。

表达:

被转化的酵母细胞在 30'C下, 初始 0D =0. 2左右, 在葡萄糖培养基中生长 12h。 回收 细胞。 用玻璃珠 (0. 10- 0. 1 Iran)和裂解缓冲液 (lOOmM Tris-HCl+蛋白酶抑制剂)溶解 细胞。 用机械震荡细胞破碎仪裂解细胞, 破胞后, 离心混合物 (l l, 000xg,4°C, 10mi n )。

澄清的上清液采用 XI- SDH (木糖异构酶偶联山梨醇脱氢酶)一步法测定木 异构酶活 性(100mM, pH7. 5Tri s- HC1, 500 mM xylose, 10 mMMgCl 2 ,粗酶液 10 μ 1, 1U SDH, 0. 15 mM NADH, 在 340nm下检测 NADH被氧化的量,即在 340nm下做时间扫描) (Kuyper et al. , FE S Yeast Research, 2003, 4 : 69-78) 。 由于木糖异构酶酶活测定方法中用到的山梨醇 脱氢酶(SDH) 需要合适的反应温度, 因此, 对木糖异构酶最适酶活温度的研究釆用 XI-SDH (木糖异构酶偶联山梨醇脱氢酶)两 步法测定 (Lonn et al., European Journal of Biochemistry, 2002, 269 ( 1 ): 157 - 163)。 第一步反应: lOOmM, pH7. 5Tris- HCl, 500 raM xylose, 10 mMMgCl 2 ,粗酶液 10 μ 1。 50%三 氯乙酸终止反应, 2Μ碳酸钠中和反应。第二步反应:取上一步反 应液 100 μ 1, lOOmM pH7. 5 Tris- HCl, 1U SDH, 0. 3 mM NADH,在 340nm下检测 NADH被氧化的量, 即在 340nm下做时 间扫描) 。在 lOOmM pH7. 5 Tris- HCl, 10 mMMgCl 2 条件下,测定木糖异构酶在 20°C, 25 °C, 30°C, 35V, 40 °C, 50 °C, 60 °C, 70 °C, 80°C下的酶活变化 (图 3) 。 蛋白含量的测定参 照 Bradford (1976)的考马斯亮兰 (Comassie Blue)法。

结论: 本发明的木糖异构酶在酿酒酵母中高活性表达 。本发明的木糖异构酶是一种嗜 温性木糖异构酶, 最适酶活温度在 60°C (图 3) 。 30°C下, 采用 XI- SDH—步法测定木糖 异构酶酶活(Kuyper et al. , FEMS Yeast Research, 2003, 4: 69-78),该酶酶活为 1. 3U/mg, 高于 Piromyces sp^2来源的木糖异构酶酶活 1. lU/mg (这一数据来自于本发明筛选的木 糖异构酶同一批次的测定实验, 同时, 该数据与文献 Kuyper et al. , FEMS Yeast Research, 2003, 4 : 69- 78报道的一致) 。

实施例 3 被转化的酵母菌株在木糖上生长和发酵实验

培养基成分- 酿酒酵母在具有下列成分的 SC培养基中生长: 0. 67 (w/v) %酵母氮源(yeast nitrogen base); 除尿嘧啶以外的氨基酸及嘌呤、 嘧啶混合物 (CSM-URA)。 对于平板, 培养基中 添加 1. 8%琼脂, 调节 pH至 6. 5-7. 0。

生长实验:

宿主酵母菌株 BSPX042 (表型: ura3-251, 超表达 超表达 PPP途径的 RPEi RKR TALI TKL 敲除醛糖还原酶基因 G -、 且经过特殊修饰, 破坏呼吸途径, 并经过驯化 而得) , 分别用空载体 PJFE3和插入新来源的木糖异构酶基因的载体 PJFE3- RuXI转化, 分别得到重组菌 BSGX000和 BSGX001。 将两重组菌株分别在 2%葡萄糖, 2%木糖为共同碳 源及 2%木糖为唯一碳源的 SC液体培养基中生长。 通过测定 600nra下在分光光度计中光 密度的升高来监控生长。

结果:

生长实验的结果在图 4和图 5中。 在 2%葡萄糖, 2%木糖为共同碳源的 SC液体培养基 中, 在葡萄糖消耗阶段, 重组菌 BSGX000和 BSGX001生长趋势差不多, μ π»χ均为 0. 31。 葡萄糖耗尽后, BSGX001较 BSGX000生长良好(图 4)。 在 2%木糖为唯一碳源的 SC液 体培养基中, 不含木糖异构酶基因的重组菌 BSGX000没有生长; 含有木糖异构酶基因 Ru 的重组菌 BSGX001生长较好, μ max为 0. 16 (图 5)。

实施例 4 被转化的酵母菌株以木糖为唯一碳源的限氧乙 醇发酵实验

培养基成分:

SC液体培养基: 0. 67 (w/v)%酵母氮源(yeast nitrogen base); 除尿嘧啶以外的氨基 酸及嘌呤、 嘧啶混合物(CSM-URA); 2%木糖。

重组菌 BSGX001在 2%木糖为唯一碳源的 SC液体培养基中限氧发酵实验。 在 lOOmL限 氧瓶内进行发酵, 发酵时间为 72h, HPLC分析发酵底物木糖及产物乙醇的变化。

结果:

含有本发明的木糖异构酶的重组菌 BSGX001 , 在 2%木糖为唯一碳源的 SC液体培养基 中限氧发酵, 乙醇产率达到 0. 24克每克生物量每小时, 糖醇转化率达到 44%, 基本没有 副产物木糖醇生成(图 6)。