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丙酮丁醇梭菌作为一种产溶剂工业用菌,近年来引起广泛关注,然而该菌遗传操作困难,特别是缺乏有效的基因敲除技术,使得对该菌的基础研究和代谢工程改造受到限制。针对这一问题,本论文建立了两种基因中断技术,分别是:1.在丙酮丁醇梭菌中建立了L1.LtrB二类内含子靶向基因敲除技术(TargeTron);2.在丙酮丁醇梭菌中运用I-Scel系统完成无痕基因删除。本论文还以TargeTron系统作为技术手段,对丙酮丁醇梭菌的双组分系统进行了初步探索。
丙酮丁醇梭菌基因敲除的瓶颈在于该菌的同源重组效率低,基于二类内含子TargeTron敲除技术是不依赖于同源重组的,因而,可用于解决丙酮丁醇梭菌基因敲除的难题。本论文构建了适用于丙酮丁醇梭菌的TargeTron敲除衍生质粒pSY6,并以之成功敲除了该菌的buk基因和solR基因,插入效率分别为61.5%和25%。发酵结果表明△buk和△solR突变株的丁醇分别比野生型提高了44%和37%,与之前文献报道基于非复制型整合质粒得到的突变株的表型一致。与基于非复制型整合质粒的敲除方法相比,TargeTron技术的敲除效率提高了100倍以上。
尽管TargeTron基因敲除技术在丙酮丁醇梭菌中能高效地进行基因敲除,但是由于该方法是插入失活,无法实现无痕基因敲除。因此,在丙酮丁醇梭菌中建立了基于I-SceI归巢内切酶的无痕基因敲除方法。运用该方法,成功缺失了丙酮丁醇梭菌ATCC824 adc基因。PCR和测序结果都表明完整删除adc基因;发酵结果显示824 adc缺失突变株的丙酮浓度为野生型4.79%,丁醇的比例从65%提高至85%,与文献报道以TargeTron技术敲除EA2018adc的表型相似。这是首次在丙酮丁醇梭菌内建立I-SceI无痕基因敲除技术,该方法为今后对丙酮丁醇梭菌的基因组进行精密改造奠定了基础。
在建立了遗传操作方法的基础上,根据丙酮丁醇梭菌基因组的生物信息学分析,选取了9个应答调控蛋白作为研究对象。采用TargeTron技术分别敲除了这几个应答调控蛋白的基因,并进行突变菌株的表型鉴定。发现丙酮丁醇梭菌cac0081基因缺失后,影响该菌的溶剂产生;cac1455基因缺失后,影响该菌对果糖的利用。