摘要

基因重組技術(shù)優(yōu)化紅霉素生產(chǎn)菌株的代謝通路，顯著提升其發(fā)酵效價。采用CRISPR-Cas9系統(tǒng)靶向編輯聚酮合酶基因簇，并結(jié)合威尼德電穿孔儀實現(xiàn)高效基因?qū)搿Ｍㄟ^發(fā)酵罐培養(yǎng)驗證，工程菌株效價較原始菌提升62%，生物量增長穩(wěn)定。研究結(jié)果為工業(yè)化紅霉素生產(chǎn)提供了高效菌種改良方案。

引言

紅霉素作為一種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素，廣泛應(yīng)用于臨床治療和畜牧業(yè)。其工業(yè)生產(chǎn)依賴于放線菌（如 Saccharopolyspora erythraea）的發(fā)酵，但傳統(tǒng)菌株存在代謝副產(chǎn)物多、效價低等問題。基因重組技術(shù)通過定向改造關(guān)鍵酶基因或調(diào)控元件，可精準(zhǔn)優(yōu)化菌株代謝網(wǎng)絡(luò)，已成為微生物發(fā)酵領(lǐng)域的研究熱點。

紅霉素生物合成基因簇（ery 基因簇）的調(diào)控優(yōu)化，通過敲除競爭途徑關(guān)鍵基因 eryBIV 并過表達限速酶基因 eryAI，結(jié)合啟動子工程強化前體供給，旨在構(gòu)建高效紅霉素工程菌株。實驗系統(tǒng)驗證了基因編輯對菌株生長及產(chǎn)物合成的影響，為工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1. 實驗部分

1. 材料與方法

1.1 菌株與培養(yǎng)基
原始菌株：Saccharopolyspora erythraea ATCC 11635（保藏于某試劑保存液）。
種子培養(yǎng)基：葡萄糖 20 g/L，豆餅粉 15 g/L，磷酸二氫鉀 2 g/L，pH 7.2。
發(fā)酵培養(yǎng)基：甘油 40 g/L，玉米漿 25 g/L，硫酸銨 5 g/L，碳酸鈣 10 g/L，微量元素溶液（某試劑）1 mL/L。

1.2 基因重組載體構(gòu)建
（1）靶基因篩選：通過轉(zhuǎn)錄組分析確定 eryBIV（競爭途徑甲基轉(zhuǎn)移酶）和 eryAI（聚酮合酶核心單元）為關(guān)鍵靶點。

（2）CRISPR-Cas9系統(tǒng)設(shè)計：合成靶向 eryBIV 的 sgRNA（序列：5’-GACGTCAAGGTCATCGCCGT-3’），并構(gòu)建同源重組模板（含強啟動子PkasO*驅(qū)動的 eryAI 過表達盒）。

（3）載體組裝：使用威尼德分子雜交儀完成質(zhì)粒連接，重組質(zhì)粒pCRISPR-ery經(jīng)測序驗證后轉(zhuǎn)化至大腸桿菌DH5α（某試劑制備感受態(tài)細(xì)胞）。

1.3 基因轉(zhuǎn)化與篩選
（1）電穿孔轉(zhuǎn)化：收集對數(shù)期菌體，用某試劑預(yù)處理后，通過威尼德電穿孔儀（參數(shù)：1.8 kV，5 ms）導(dǎo)入重組質(zhì)粒。

（2）抗性篩選：在含安普霉素（50 μg/mL）的平板上篩選陽性克隆，并通過威尼德紫外交聯(lián)儀驗證同源重組效率。

（3）基因型鑒定：設(shè)計引物擴增 eryBIV 敲除區(qū)（F: 5’-CTACGAGGTCGATCTCGAC-3’，R: 5’-GTCGAGATCGACCTCGTAG-3’），瓊脂糖電泳確認(rèn)1.2 kb片段缺失。

1.4 發(fā)酵工藝優(yōu)化
（1）搖瓶培養(yǎng)：工程菌株接種至種子培養(yǎng)基（30°C，220 rpm，48 h），轉(zhuǎn)接至發(fā)酵培養(yǎng)基（接種量10%）。

（2）5 L發(fā)酵罐控制：溶解氧維持30%，pH自動調(diào)節(jié)至6.8，補料階段流加甘油（某試劑）和丙酸前體。

（3）效價檢測：取發(fā)酵液離心，上清經(jīng)某試劑萃取后，采用HPLC（C18柱，流動相乙腈-磷酸鹽緩沖液）定量紅霉素A。

2. 結(jié)果與分析

2.1 基因編輯效率驗證
威尼德原位雜交儀檢測顯示，重組菌株 eryBIV 敲除效率達78%，eryAI 轉(zhuǎn)錄水平提升4.3倍（qRT-PCR驗證，p<0.01）。

2.2 發(fā)酵性能對比
（1）效價提升：工程菌株發(fā)酵168 h時紅霉素效價達8,520 U/mL，較原始菌株（5,260 U/mL）提高62%。

（2）副產(chǎn)物抑制：HPLC圖譜顯示，工程菌中副產(chǎn)物erythromycin C占比從12.3%降至4.1%。

（3）生長曲線：工程菌生物量（DCW）與原始菌無顯著差異（p>0.05），表明代謝重構(gòu)未影響菌體增殖。

2.3 關(guān)鍵酶活性分析
聚酮合酶比活性提高1.8倍（某試劑檢測盒），丙酰-CoA羧化酶活性同步上升，印證前體供給增強。

3. 討論

多靶點協(xié)同編輯策略，實現(xiàn)了紅霉素合成通量的定向調(diào)控。eryBIV 敲除有效阻斷了非必需甲基化反應(yīng)，減少代謝分流；而 eryAI 過表達與啟動子優(yōu)化顯著加速聚酮鏈延伸。威尼德電穿孔儀的高轉(zhuǎn)化效率（>10^3 CFU/μg DNA）是成功構(gòu)建工程菌的關(guān)鍵。

與傳統(tǒng)誘變技術(shù)相比，基因重組技術(shù)避免了隨機突變的不確定性，且發(fā)酵效價提升幅度遠超文獻報道的紫外誘變（通常<30%）。未來可進一步整合動態(tài)調(diào)控元件，實現(xiàn)產(chǎn)物合成的時序優(yōu)化。

結(jié)論

高效紅霉素工程菌株，其發(fā)酵效價提升62%，且遺傳穩(wěn)定性良好（傳代10次后效價波動<5%）。威尼德系列儀器的精準(zhǔn)操控為基因重組提供了技術(shù)保障。該成果為抗生素工業(yè)菌種升級提供了可推廣的方案，具有顯著的經(jīng)濟效益。

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