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色氨酸在制藥、食品和飼料等行業(yè)都有廣闊的應(yīng)用前景。本項(xiàng)目采用基因工程、代謝工程等手段對(duì)大腸桿菌色氨酸合成代謝途徑進(jìn)行分析調(diào)控，構(gòu)建了高產(chǎn) 色氨酸基因工程菌，并在此基礎(chǔ)上通過優(yōu)化發(fā)酵工藝，色氨酸產(chǎn)量可達(dá) 40g/L。 

研究?jī)?nèi)容： D-色氨酸其和胸腺嘧啶一起組成的藥物可以治療惡性腫 瘤，增強(qiáng)病人的免疫能力； D-色氨酸能提高小鼠的免疫能力；一些氨基酸 類抗生素以 D-色氨酸替代 L- 色氨酸，難以被細(xì)菌酶降解而不致產(chǎn)生抗藥 性，D-色氨酸及其衍生物還用于無公害新型氨基酸農(nóng)藥的合成；色氨酸還 可以作為合成多種吲哚類堿、煙酸激素及 5-羥色胺（腦白金）的前體， D- 色氨酸是 Cialis 產(chǎn)品的重要中間體。 技術(shù)原理：

本成果從一株高產(chǎn) L-異亮氨酸的 C. glutamicum 出發(fā)，運(yùn)用反向代謝工程策略對(duì)其代謝通路進(jìn)行理性重排，以期實(shí)現(xiàn) L-蘇氨酸高產(chǎn)，特別是近期，通過熱誘導(dǎo)丙酮酸羧化酶和蘇氨酸外排泵創(chuàng)蘇氨酸產(chǎn)率紀(jì)錄，開發(fā)了一種兩段式溫控發(fā)酵蘇氨酸的重組大腸桿菌和工藝，發(fā)酵罐蘇氨酸摩爾轉(zhuǎn)化率達(dá) 103.28%。這套復(fù) 雜中心代謝途徑的自我調(diào)控維持了生產(chǎn)和生長(zhǎng)的平衡。論文用實(shí)驗(yàn)室前期構(gòu)建的一株產(chǎn)蘇氨酸的重組大腸桿菌 TWF001 為宿主，首先編輯了涉及副產(chǎn)物有機(jī)酸合成、產(chǎn)物降解和轉(zhuǎn)運(yùn)的基因，并證實(shí)這一系列菌種在 37 度升至 42 度情況下的生長(zhǎng)情況等同正常 37 度發(fā)酵；然后用一套大腸桿菌熱敏啟動(dòng)子去轉(zhuǎn)錄四環(huán)素啟動(dòng)子阻遏蛋白，四環(huán)素啟動(dòng)子后的報(bào)告基因 37 度表達(dá)，42 度不表達(dá)。 

本項(xiàng)目首先借助比較蛋白組學(xué)研究技術(shù)，從細(xì)胞內(nèi)異亮氨酸合成及轉(zhuǎn)運(yùn)的整體網(wǎng)絡(luò)入手，揭示其中影響氨基酸胞外積累的若干關(guān)鍵蛋白質(zhì)，研究氨基酸合成及轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝調(diào)控、底物利用、細(xì)胞通透等相關(guān)蛋白質(zhì)的作用機(jī)制。然后采用系統(tǒng)生物學(xué)和代謝工程研究手段，利用啟動(dòng)子改造、基因共表達(dá)、酶定向進(jìn)化等技 術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)改造，以顯著提高乳糖發(fā)酵短桿菌支鏈氨基酸生產(chǎn)水平。比較蛋白組學(xué)分析將為支鏈氨基酸高產(chǎn)機(jī)理研究奠定堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)，乳糖發(fā)酵短桿菌代謝工程系統(tǒng)改造為工業(yè)化應(yīng)用提供有力技術(shù)支撐。 關(guān)鍵技術(shù) L-異亮氨酸是人體 8 種必需氨基酸之一，因其具特殊的結(jié)構(gòu)和功能，其用量逐年增長(zhǎng)，目前國(guó)際上日本生產(chǎn) L-異亮氨酸且占?jí)艛嗟匚唬瑥S家有味之素、協(xié)和發(fā)酵和田邊制藥三家，均已發(fā)酵法生產(chǎn)，產(chǎn)率達(dá) 30-35 g/L，提取率 60-70%，我國(guó)的異亮氨酸研究起步晚，目前分批發(fā)酵大罐產(chǎn)酸率為 20-22g/L，總得率為 40- 50%，與日本相比較，我國(guó)的 L-異亮氨酸生產(chǎn)水平還很低下，主要是由于生產(chǎn)菌株絕大多數(shù)通過誘變選育獲得，少數(shù)菌株利用基因工程手段改造，但僅局限于少數(shù)合成酶基因，這嚴(yán)重制約了支鏈氨基酸產(chǎn)率的進(jìn)一步提高。本成果克服了行業(yè)內(nèi)的菌株瓶頸，并優(yōu)化獲得了工業(yè)發(fā)酵工藝。

1、技術(shù)分析（創(chuàng)新性、先進(jìn)性、獨(dú)占性） 炎癥性腸病是一種慢性且易復(fù)發(fā)的自身免疫性疾病，包括潰瘍性結(jié)腸炎（ulcerative colitis, UC）和克羅恩病（crohn's disease, CD）兩種疾病類型。過去一直認(rèn)為IBD是“西方疾病”，主要集中在歐洲、北美和新西蘭等發(fā)達(dá)國(guó)家，而近年來隨著工業(yè)的發(fā)展，亞洲國(guó)家的IBD發(fā)病率急劇上升，目前，IBD已發(fā)展成為全球性的疾病。IBD臨床表現(xiàn)為腹瀉、便血、體重降低等癥狀，UC主要影響結(jié)腸黏膜，引起血便，CD可在整個(gè)胃腸道呈節(jié)段性分布，引起瘺管，由于IBD反復(fù)發(fā)作，病程較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響人們的生活質(zhì)量。目前，IBD的病因和發(fā)病機(jī)制尚未完全明確，但隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的證據(jù)表明宿主腸道的共生微生物失調(diào)引發(fā)先天性和適應(yīng)性免疫反應(yīng)紊亂進(jìn)而導(dǎo)致遺傳易感宿主出現(xiàn)腸道炎癥。目前IBD的治療方法主要為藥物治療，容易引起機(jī)體代謝紊亂或產(chǎn)生特異性不良反應(yīng)等毒副作用，不適合長(zhǎng)期使用，因此，尋找安全、有效緩解IBD的方法至關(guān)重要。 色氨酸作為必需氨基酸，在人體內(nèi)不能合成，需從飲食中獲取，很多研究發(fā)現(xiàn)色氨酸在維持腸道微生物和腸粘膜免疫之間的平衡發(fā)揮重要的作用。最新的研究表明色氨酸調(diào)節(jié)腸道免疫的本質(zhì)并不是色氨酸本身，而是在腸道微生物的作用下，色氨酸分解為吲哚及吲哚酸衍生物，其中吲哚-3-乙酸（Indole-3-acetic acid，IAA）作為芳香烴受體（Aryl hydrocarbon receptor，AHR）的高親和配體，可激活免疫系統(tǒng)，增強(qiáng)腸上皮屏障，以及腸道激素的分泌，從而發(fā)揮抗炎、抗氧化或抗毒性作用[7, 8]。但腸道微生物利用色氨酸的能力有限，本研究以乳酸菌作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，篩選出一株能夠高降解色氨酸的乳酸菌，以期開發(fā)出高效、安全的緩解結(jié)腸炎的天然藥物。 乳酸菌是益生菌的主要來源，主要從酸奶、泡菜等發(fā)酵食品中分離得來。乳酸菌除廣泛應(yīng)用于食品中外，已被證明可有效預(yù)防或治療各種疾病，例如免疫調(diào)節(jié)、降膽固醇、抗腫瘤等益生功能。乳酸菌可通過黏附定植到腸道，調(diào)整腸道微生物結(jié)構(gòu)，激活機(jī)體免疫，從而發(fā)揮出相應(yīng)的益生功能。大量體內(nèi)、體外及臨床研究證實(shí)不同種屬乳酸菌具有緩解腸道炎癥的功能，但乳酸菌與色氨酸對(duì)結(jié)腸炎的預(yù)防作用報(bào)道較少。 本項(xiàng)目創(chuàng)新地研究植物乳桿菌KLDS1.0386與色氨酸混合物在制備預(yù)防結(jié)腸炎的藥物中的的作用及應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)外尚無相關(guān)研究及技術(shù)。本項(xiàng)目具有良好的先進(jìn)性和獨(dú)占性。

本研究構(gòu)建一種谷氨酸棒桿菌基因工程菌，使其同時(shí)發(fā)酵生產(chǎn)兩種產(chǎn)品：聚羥基脂肪酸酯和異亮氨酸；前者是胞內(nèi)產(chǎn)品，后者是胞外產(chǎn)品。該基因工程菌可以降低生產(chǎn)成本，具有工業(yè)應(yīng)用前景。研究結(jié)果顯示：將 phaCAB 基因簇導(dǎo)入 WM001后，WM001/pDXW-8-phaCAB 96h 產(chǎn)量為 9.58 g/L，而 WM001/pDXW-8 96h 產(chǎn)量為6.65 g/L，產(chǎn)率提高 65%達(dá)到 0.15g 異亮氨酸/g 葡萄糖。PHA 產(chǎn)量達(dá)到 28.7%(w/w)。關(guān)鍵技術(shù) 聚羥基脂肪酸酯（PHAs）是部分微生物生存在具有較高碳源與氮源的條件下，生成的一類微生物自身碳源、能源儲(chǔ)備物的胞內(nèi)聚酯。根據(jù)相關(guān)報(bào)道，將 PHB 合成代謝基因簇導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)，可實(shí)現(xiàn) PHB 與某些代謝產(chǎn)物的聯(lián)產(chǎn)和增產(chǎn)，提高底物的利用率。L-異亮氨酸是一種人體必需氨基酸，因其在醫(yī)藥、食品和健康保健領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，而使其近幾年的生產(chǎn)能力發(fā)展迅速，目前國(guó)際上比較先進(jìn)的主流生產(chǎn)方式為發(fā)酵法生產(chǎn) L-異亮氨酸。谷氨酸棒桿菌(Corynebacteriumglutamicum)是一種小棒狀、革蘭氏陽性的食品安全生產(chǎn)菌，目前已經(jīng)用于工業(yè)生產(chǎn) L-異亮氨酸，本成果構(gòu)建能高產(chǎn) PHAs 的 C. glutamicum 菌株，具有工業(yè)化應(yīng)用潛力。 

精氨酸酶它能將精氨酸水解，生產(chǎn)鳥氨酸和尿素，是生物體中參與尿素循環(huán)而起作用的酶。基于這個(gè)反應(yīng)機(jī)理，目前精氨酸酶一方面可用于功能性氨基酸 L-鳥氨酸的生物制備；另一方面可作為藥物用于癌癥諸如肝細(xì)胞癌、黑色素細(xì)胞癌、腎癌等以及一些病毒感染的治療。鳥氨酸是一種非蛋白質(zhì)氨基酸，具有保肝護(hù)肝、促進(jìn)垂體分泌生長(zhǎng)激素、提 高血清中的胰島素類生長(zhǎng)因子的水平、進(jìn)而促進(jìn)肌肉的生成、緩解運(yùn)動(dòng)后的身體疲勞及運(yùn)動(dòng)后人體內(nèi)氮的失衡等功能。 本項(xiàng)目通過菌種篩選獲得高產(chǎn)精氨酸酶菌株，并將其用于鳥氨酸的生物制備，鳥氨酸產(chǎn)量可達(dá)到 70g/L 以上，底物精氨酸的摩爾轉(zhuǎn)化率 96%。

D-精氨酸(D-Arg)是重要的手性試劑和醫(yī)藥中間體。可抑制癌癥擴(kuò)散，治療生長(zhǎng)激素過多釋放造成的紊亂，具有抑制DNA合成、前列腺癌細(xì)胞增殖的功能。本方法以L-Arg為原料經(jīng)過化學(xué)消旋，獲得DL-Arg。而后利用基因工程技術(shù)構(gòu)建重組菌株，對(duì)DL-Arg進(jìn)行酶法轉(zhuǎn)化，獲得高收率及高光學(xué)純的D-Arg。同時(shí)副產(chǎn)物L(fēng)-瓜氨酸Cit是人體尿素循環(huán)的一個(gè)重要中間代謝物，用于男性性功能障礙、高血壓和冠心病等多種疾病的治療，有助于提高機(jī)體免疫能力，且在腦血流的調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。該方法利用了化學(xué)反應(yīng)的效率高、成本低的特點(diǎn)，又利用精氨酸脫亞胺酶對(duì)DL-Arg進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，充分利用生物酶所具有的催化專一性的優(yōu)點(diǎn)，使D-Arg制備路線達(dá)到高效、立體專一的特點(diǎn)，該方法優(yōu)于國(guó)內(nèi)外相應(yīng)報(bào)道，具有工業(yè)化優(yōu)勢(shì)，可以提高資源的利用率、減少工業(yè)廢物的產(chǎn)生與排放。

精氨酸脫亞胺酶（Arginine deiminase）簡(jiǎn)稱 ADI，它能將精氨酸水解，生產(chǎn)瓜氨酸和氨，是生物體中參與尿素循環(huán)而起作用的酶。基于這個(gè)反應(yīng)機(jī)理，目前精氨酸脫亞氨酶一方面可用于功能性氨基酸 L-瓜氨酸的生物制備；另一方面可作為藥物用于癌癥諸如肝細(xì)胞癌、黑色素細(xì)胞癌、腎癌等以及一些病毒感染的 治療。 瓜氨酸是一種非蛋白質(zhì)氨基酸，具有抗衰老、增強(qiáng)免疫力、提高運(yùn)動(dòng)員力量 與耐力、增加創(chuàng)傷愈合和改善微循環(huán)等功能。本項(xiàng)目通過菌種篩選獲得一株高產(chǎn)精氨酸脫亞酶的糞腸球菌菌株，通過分子改造，獲得適合人體生理?xiàng)l件的精氨酶脫亞酶，可用于醫(yī)藥；利用糞腸球菌來源的精氨酸脫亞氨酶可用于瓜氨酸的生物制備，瓜氨酸產(chǎn)量可達(dá)到 250g/L 以上，底物精氨酸的摩爾轉(zhuǎn)化率 100%。 創(chuàng)新要點(diǎn) 成功開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的精氨酸脫亞胺酶生產(chǎn)菌株及瓜氨酸制備工藝，達(dá)到或超過國(guó)際先進(jìn)水平。