通过优化培养基成分，提高表达重组纤维素分解嵌合酶的大肠杆菌细胞密度（该酶来源于Acetivibrio thermocellus）

《Current Microbiology》：Enhancing the E. coli Cell Density Expressing the Recombinant Cellulolytic Chimeric Enzyme from Acetivibrio thermocellus by Statistical Optimization of the Medium

　　

摘要

本研究针对表达重组纤维素酶嵌合体 CtGH1-L1-CtGH5-F194A 基因的 大肠杆菌 BL21(DE3) 细胞，优化了培养基成分，以实现高细胞密度培养。该嵌合体由 N 端的 β-葡萄糖苷酶 CtGH1（属于糖苷水解酶家族 1）和 C 端的 β-1,4-内葡聚糖酶突变体 CtGH5-F194A（来自 Clostridium thermocellum，现称为 Acetivibrio thermocellus）组成，两者通过天然连接子 L1 连接在一起。在添加了甘油或葡萄糖的最小盐培养基（M9）中分析了 大肠杆菌 BL21(DE3) 细胞的生长情况。添加甘油的培养基表现出更高的生长速率（OD₆₀₀ 约为 5）和更低的乙酸积累量（0.3 g/L），而添加葡萄糖的培养基的 OD₆₀₀ 约为 4，乙酸积累量为 2.1 g/L。最佳接种量为 5%（v/v），初始培养基 pH 值为 7.0，此时细胞生长达到最大。通过 Plackett-Burman 设计对培养基成分进行筛选，发现 KH₂PO₄、(NH₄)₂HPO₄ 和甘油是影响细胞生长的关键因素。利用响应面法（RSM）和中心复合设计（CCD）优化培养基成分组成，最终确定 KH₂PO₄ 的浓度为 11.22 g/L、(NH₄)₂HPO₄ 的浓度为 5.19 g/L，甘油的浓度为 18.11 g/L，模型预测的细胞 OD₆₀₀ 值为 7.7。实验验证表明，优化后的培养基成分使细胞 OD₆₀₀ 为 7.0，与模型预测值相当。优化后的 M9 培养基每升细胞干重（DCW）产蛋白量为 5.3 g，总蛋白产量为 12.5 mg/g DCW，其中 β-1,4-内葡聚糖酶和 β-葡萄糖苷酶的活性分别为 59 U/mg 和 44 U/mg。通过对定义的最小培养基进行统计优化，提高了重组蛋白的产量和酶活性，同时减少了底物消耗和乙酸积累，从而为酶的生产提供了一个可重复且可扩展的平台。本研究建立了首个针对生产重组嵌合酶的 大肠杆菌 的培养基优化框架，实现了可控生长，并支持高细胞密度培养的连续批次策略。

图形摘要

此图片的替代文本可能是由 AI 生成的。

本研究针对表达重组纤维素酶嵌合体 CtGH1-L1-CtGH5-F194A 基因的 大肠杆菌 BL21(DE3) 细胞，优化了培养基成分，以实现高细胞密度培养。该嵌合体由 N 端的 β-葡萄糖苷酶 CtGH1（属于糖苷水解酶家族 1）和 C 端的 β-1,4-内葡聚糖酶突变体 CtGH5-F194A（来自 Clostridium thermocellumAcetivibrio thermocellus）组成，两者通过天然连接子 L1 连接在一起。在添加了甘油或葡萄糖的最小盐培养基（M9）中分析了 大肠杆菌 BL21(DE3) 细胞的生长情况。添加甘油的培养基表现出更高的生长速率（OD₆₀₀ 约为 5）和更低的乙酸积累量（0.3 g/L），而添加葡萄糖的培养基的 OD₆₀₀ 约为 4，乙酸积累量为 2.1 g/L。最佳接种量为 5%（v/v），初始培养基 pH 值为 7.0，此时细胞生长达到最大。通过 Plackett-Burman 设计对培养基成分进行筛选，发现 KH₂PO₄、(NH₄)₂HPO₄ 和甘油是影响细胞生长的关键因素。利用响应面法（RSM）和中心复合设计（CCD）优化培养基成分组成，最终确定 KH₂PO₄ 的浓度为 11.22 g/L、(NH₄)₂HPO₄ 的浓度为 5.19 g/L，甘油的浓度为 18.11 g/L，模型预测的细胞 OD₆₀₀ 值为 7.7。实验验证表明，优化后的培养基成分使细胞 OD₆₀₀ 为 7.0，与模型预测值相当。优化后的 M9 培养基每升细胞干重（DCW）产蛋白量为 5.3 g，总蛋白产量为 12.5 mg/g DCW，其中 β-1,4-内葡聚糖酶和 β-葡萄糖苷酶的活性分别为 59 U/mg 和 44 U/mg。通过对定义的最小培养基进行统计优化，提高了重组蛋白的产量和酶活性，同时减少了底物消耗和乙酸积累，从而为酶的生产提供了一个可重复且可扩展的平台。本研究建立了首个针对生产重组嵌合酶的 大肠杆菌 的培养基优化框架，实现了可控生长，并支持高细胞密度培养的连续批次策略。

图形摘要

此图片的替代文本可能是由 AI 生成的。