细菌基因工程

第十六章细菌基因工程,第一节细菌基因工程的发展现状和发展趋势第二节细菌基因工程的表达系统第三节细菌基因工程的应用,第一节细菌基因工程的发展现状和发展趋势,一、基因工程的发展简史细菌是单细胞、结构简单的原核微生物；它的物种和代谢类型多样对环境因子敏感；最显著的特征是生长速度快，便于大规模培养，易于进行遗传操作。1973年，波依尔（Boyer）和科恩（Cohen）首次完成外源基因在大肠杆菌中的表达。几年后，第一个基因工程产品利用构件的基因工程菌生产人胰岛素获得成功，自此进入生物技术的产业时代。细菌的遗传改造也是基因工程中最早，研究最广泛取得实际应用成果最多的领域。,1.细菌工程菌与人类药物生产细菌是生产蛋白药物的最好生物反应器，利用细菌基因重组技术可以实现：对化学方法难以合成的中间体进行合成，从而生产活力更强的衍生物；是微生物产生新的合成途径，从而获得新的代谢产物；利用微生物产生的酶对药物进行化学修饰；生产天然稀有的医用活性多肽或蛋白质。,二、细菌基因工程的发展现状,未来市场前景广阔的药品将集中在单克隆抗体、反义药物、基因治疗药物、可溶性蛋白质类药物和疫苗5类中，其中单抗最引人注目。,细菌工程菌与环境保护利用环境微生物基因工程技术治理环境污染和遏制生态恶化趋势，促进自然资源的可持续利用，是一条最安全和最彻底消除污染的有效途径。它充分利用环境微生物的生物净化、生物转化和生物催化等特性的功能基因，构建基因工程菌进行污染治理、清洁生产和可再生资源利用。与化学、物理方法相比，其效率高、成本低、反应条件温和无二次污染等显著优点，同时还可加强自然环境的自净化能力。美国科学家已用基因工程将带不同降解能力的质粒通过接合转移导入同一细菌中，从而培育出能同时降解4种烃类的“超级工程菌”。,细菌工程菌与食品、饲料及其他工业理论上所有发酵食品与食品配料生产菌都可以进行菌种改良，但由于氨基酸、有机酸、维生素、色素、香料等均属于微生物代谢产物，其生产菌的遗传改造较为复杂，目前尚处于研究阶段。但也有少数获得了成功。相对而言，酶制剂的合成所涉及的基因较为简单，适合利用基因工程进行改良。,除食品用酶制剂外，细菌基因工程菌也已成功应用于生产其他不同目的的酶，如将葡萄糖转化为高果糖糖浆的葡萄糖异构酶；应用于PCR的耐热DNA聚合酶；用于生产青霉素母核的青霉素酰化酶等。现在的细菌基因工程完全可以做到：将次级反应转换到主要代谢途径中；优化产品质量及其产量；改变初始代谢途径使之能够利用更廉价的原料，或者得到以前未知的新产物；利用酶的异构体获得新的手性分子。,基因工程菌与农业生产近年来基因工程的研究为农业微生物遗传改良提供了有效的手段，成为生命科学领域中最活跃，最具创新的前沿之一。在农业上，世界各国获准进入田间释放的重组微生物占已登记在案的遗传工程菌释放总数的1.15%。其中美国构建了整合外源dctABD基因（提高固氮能力）的转基因重组苜蓿是世界首例通过安全性评价进入有限商品化的工程根瘤菌。20世纪90年代以来，以苏金云芽胞杆菌为龙头的微生物工程杀虫剂迅速发展。由我国学者研制的转ntrC-nifA基因固氮斯氏假单胞菌AC1541和苏云金芽孢杆菌高产广谱工程菌均已通过审批进入安全性评价的商品化生产阶段。,随着生物科学的进展，细菌基因工程研究的范围也进一步拓宽。细菌基因工程的重点将会放在细菌资源的发掘和利用上，即从现存丰富的细菌资源中鉴定分离具有杀菌、杀虫、防病、除草、固氮、促生、抗逆、降解污染物、促进养分转化等各种功能的新基因，以及难培养和极端环境微生物资源的开发利用。要注意革新细菌基因工程的生产工艺，在积极促进重组技术发展的同时要高度重视和预防转基因细菌对健康和环境可能存在的风险。,三、细菌基因工程菌的发展趋势及前景展望,第二节细菌基因工程的表达系统,一、细菌基因工程的表达系统细菌基因工程的表达系统由3部分组成：外源基因、表达载体、宿主细菌。外源基因的表达水平不仅与基因的来源、基因的性质以及载体有关，还取决于宿主细胞。要使克隆的外源基因在宿主细胞中高效表达，首先要构筑专门的表达载体（expressionvector），用来控制转录、翻译、蛋白质稳定性以及克隆基因产物的分泌等。,大肠杆菌是目前研究最深入，使用最广的基因工程宿主菌。在基因工程领域里，大肠杆菌主要做为外源蛋白超量表达的平台，其主要目的是对不同的蛋白质进行体外超量表达从而可以将目的蛋白用于不同的下游领域，如制备基因工程疫苗，蛋白质组学研究。,二、表达载体构建原则表达载体实际上是在克隆载体的基础上装载了用于表达的一些元件（cassette），当外源基因插入到合适位点后，在宿主菌种就可以启动表达。目前在大肠杆菌和酵母中使用的表达载体种类繁多，已形成了成熟的表达系统。但在其他细菌中通常是将目的基因与表达元件（主要是相关的启动子）连接，在装载在特定的克隆载体上，然后导入宿主菌种表达。,因此表达载体的构建主要体现在表达元件的选择和利用。对于克隆载体，只要满足在宿主菌中复制和选择要求的载体，都可用作克隆载体。大肠杆菌以外的细菌中应用的克隆载体一般是穿梭载体，都含有大肠杆菌克隆载体的序列，便于在大肠杆菌中扩增和制备。克隆载体可以是质粒载体，也可以是将外源基因整合到染色体上的整合基因载体。,启动子的选择,通过基因工程手段表达外源基因的目的大致有两种：其一是超量表达，以达到最大限度的活的蛋白质产物。其二是使某个关键基因表达，使宿主菌表现出特殊的性状，或启动其他产物的大量合成。,转录的有效性为保证外源基因转录的有效性，在表达载体上应设法除去衰减序列或插入抗转录终止序列以免转录的提前终止，保证mRNA有效的延伸和终止。也可以在终止密码子后增加终止子序列，是转录正确、有效终止。,翻译起始的有效性,翻译起始是多种成分包括mRNA、16SrRNAfMet-tRNA，核糖体S1蛋白，蛋白合成起始因子之间协同作用的过程。要使翻译起始率最高要满足以下条件：选用最佳起始密码子AUG；与SD序列相似或与（5AGGAGG3）序列完全相同；除SD序列外，处于起始密码前的两个核氨酸应该是A和U；在不改变蛋白质功能的前提下，如果在起始密码AUG后的序列是GCAU或AAAA序列，能使翻译效率提高；在翻译起始区不能形成明显的二级结构。,翻译的有效终止,在基因工程中，一般都采用UAA或一连串的终止密码来有效终止原核细胞的翻译。,三、外源基因表达的方式,外源基因以融合蛋白形式表达融合表达是指目的基因与编码具有特殊活性的多肽和蛋白质的基因融合，构建成一融合蛋白基因。构建可分泌蛋白，分泌到胞外培养基中通常位于蛋白质N段的称为信号肽的一段氨基酸序列会帮助蛋白通过细胞膜。通过基因操作可以在外源蛋白的N端添加编码信号肽的DNA序列形成一个分泌蛋白。,外源蛋白在宿主细胞中以包涵体的形式表达包涵体是致密的不溶性复合物含有大部分的表达蛋白，可以抵抗宿主细胞中蛋白酶的降解，也便于纯化。外源基因在细胞表面的表达（表面展示技术）微生物细胞表面展示（cellsurfacedisplay）技术是把目的蛋白基因序列（外源蛋白）与特定的载体蛋白基因序列（定位序列）融合后导入微生物宿主细胞从而使目的蛋白表达并定位于微生物细胞表面。,四、常见细菌表达系统,以下主要介绍几种常见的细菌基因工程的表达系统的结构和特点。革兰氏阴性细菌通用的表达载体革兰氏阴性细菌通用的表达载体如pAV10等都是低拷贝数、广宿主质粒Prk290的多克隆位点中插入来源于转座子Tn5末端反向重复序列的一段70bpDNA而构建的。（如图16-1）。来源于Tn5的DNA克隆片断包含两个独立而重叠的启动子，每个启动子分别负责一个Tn5的转录。,芽孢杆菌表达系统,枯草芽孢杆菌是一种革兰氏阳性菌、无荚膜、能运动的杆状细菌，无致病性，对人畜无害。具有良好的分泌能力，遗传背景清楚，生长迅速，培养条件简便。,下面介绍两种应用于枯草芽孢杆菌的载体,穿梭载体作为穿梭载体（shuttlevector）应同时具有大肠杆菌载体和枯草芽孢杆菌载体的复制起点例如pDG148-Stu。（图16-2）其结构特点为：具有乳糖操纵子调节基因lacI及其调控序列；具有一个杂合启动子；3个抗性基因作为筛选标记。,整合载体能将目的基因整合到宿主的基因组中的载体成为整合载体（integrationvector），一般通过同源重组或转座因子的转座特性实现外源基因整合。pDG1730是典型的枯草芽孢杆菌整合载体，可将外源基因整合到-淀粉酶基因内部。该载体的基本骨架是大肠杆菌的克隆载体和用于革兰氏阳性细菌的红霉素抗性选择标记基因。,微生物细胞表面表达系统,微生物细胞表面展示系统的构成包括载体蛋白、目的蛋白和宿主菌株。位于细胞表面的蛋白质都可用于细胞表面展示，常见的载体蛋白有大肠杆菌的外膜蛋白（OmpA和OmpC）和与肽聚糖相关的质蛋白（PAL）等。在大多数细菌表面融合蛋白中，目的蛋白位于融合蛋白的N或C端，有时目的蛋白的断片段也可以在融合蛋白的中间表达（图16-3）。,微生物细胞的表面展示技术有广泛的用途，可开发生物制品如活疫苗、细胞催化剂、细胞吸附剂、生物传感器等。但这一领域里仍存在许多问题有待解决如空间阻碍、多亚基蛋白表达、多种外源蛋白的同时表达等问题。,第三节细菌基因工程的应用,基因工程的实践主要有3种形式：其一：是改造细菌使之性状得到遗传改良；其二：是制作生物反应器，利用细菌来生产某种物质；其三：还有一类是基因工程改造的是细菌本身，但需要的是其产物或代谢产物。下面将简单介绍一些重要的基因工程细菌：,一、农业领域的基因工程细菌,微生物基因工程农药目前微生物农药主要有微生物杀虫剂、杀菌剂、除草剂等。农业上应用的杀虫基因有3大类，一类是从细菌中分离出来的细菌杀虫剂如苏云金芽孢杆菌,杀虫晶体蛋白ICP基因；另一类是从植物中分离出来的植物抗虫基因，如豇豆胰蛋白酶抑制剂因；此外还有还有其他来源的蝎毒基因aaIT，杆状病毒基因几丁质酶基因等。重组微生物杀虫剂苏云金芽孢杆菌基因工程及应用苏云金芽孢杆菌是目前国内外产量最大、应用最广的微生物杀虫剂。Bt在其生长过程中产生不同类型的杀虫晶体蛋白，主要作用于鳞翅目、鞘翅目、双翅目、膜翅目等昆虫幼虫，而对人和哺乳动物非常安全。,近年来，从Bt中命名的ICP基因已有50大类，250种，其中crylAa、crylAb、crylAc3个基因是杀虫毒力最高的种类，主要存在于库斯塔克亚种（subsp,kurstaki）中。通过基因工程技术改造的Bt主要是为了增强杀毒力、拓宽杀毒范围、延长特效期、克服可能出现的昆虫抗性等。,苏云金芽孢杆菌表达系统的构建涉及以下方面：首先确定载体的类型，主要是质粒载体，同时为了复制的稳定，一般用Bt自身质粒的复制区作为载体的复制单元，如穿梭载体pHT304。为了保证基因工程菌环境释放的安全性，要求将载体中的非Bt来源的DNA片段去掉。为此，采用了Bt转座子中的位点特异性重组系统，在携带重组酶基因的辅助质粒帮助下，质粒载体内部发生重组，形成两个质粒，其中携带抗生素抗性基因和大肠杆菌基因片段的质粒由于不能复制而丢失，保留来自Bt的DNA片段。这种载体叫解离载体。（见图16-4）,农用抗生素产生菌的遗传操作农用抗生素是由抗生菌发酵所产生的具有农药功能的次级代谢产物，它是由明确分子结构的化学物质。阿维菌素是目前世界上有关生物合成基因簇研究的最深的抗生素之一。杀虫抗病重组微生物许多细菌具有杀死或抑制植物病原菌的作用或具有促进植物生长的作用或在植物的页面或根部具有优势定植能力，将杀虫基因导入这些细菌可以获得改良的杀虫细菌如荧光假单胞菌。,其他杀虫抗病微生物1）生物囊杀虫剂将Bt毒素蛋白基因转入到荧光假单胞菌中，使其高效表达并形成伴胞晶体发酵后用化学或物理方法将菌体杀死但不破坏伴胞晶体而且菌体外型保持完整，从而形成一种生物囊制剂。（图16-5）2）基因工程抗病菌放射农杆菌K-84可以产生农杆菌素（agrocin）84，其组分为腺嘌呤脱氧阿拉伯糖苷氨基磷酸盐，可有效防治根癌农杆菌引起的植物根癌病。,3）杀虫抗病工程菌将具有抑制欧文氏菌病原基因表达的aii基因（AHL-内酯酶）通过S-层蛋白为载体在Bt细胞表面表达，构建出杀虫抗病工程菌，在魔芋田间试验中表现出对软腐病菌的良好抗病效果。,微生物肥料主要有以下几类：固氮菌；解磷菌；解钾菌；植物根际促生菌（PGPR）；VA菌根真菌；腐熟剂；光合细菌；复合菌肥。,对根瘤菌进行的基因工程研究集中在进一步提高固氮效率和解决“老区问题”。老区问题指的是根瘤菌剂接种在从未种植过豆科植物的新区时增产效果显著，而多年种植的老区却不稳定。解决老区问题的方法主要有使接种菌产生能够抑制土著菌的抗生素以及导入竞争瘤相关基因增加菌剂的结瘤能力等。,提高根瘤菌固氮能力的途径主要有：,提高根瘤菌固氮相关的固氮酶、吸氢酶等基因的表达水平。降低土壤中铵离子对根瘤菌固氮能力的抑制作用。增加宿主对根瘤菌碳源和氮源的供应。,二、食品和工业基因工程菌乳酸菌基因工程菌乳酸菌是一类以发酵为基本特征的革兰氏阳性菌群，包括乳酸杆菌（Lactobacillus）、乳球菌（Lactococcus）、链球菌（Streptococcus）片球菌（Pediococcus）和明串球菌（Leuconostoc）5个菌属。乳酸菌有以下共性：都能在较低PH值及厌氧条件下良好生长；并能利用碳水化合物生产大量的乳酸；几乎所有的乳酸菌都是非致病性的。,乳酸菌基因工程的改良主要包括3方面：,提高生产菌在食品发酵过程中的稳定性；改善发酵食品的品质；缩短生产周期。,生产食品添加剂的基因工程菌氨基酸工程菌现在主要利用DNA的重组技术构建高产工程菌，相对传统技术其优点是：能特异性的高效表达氨基酸生物合成途径中的限速步骤控制基因；能将氨基酸的生物合成控制在细菌的最佳生长阶段；能将棒杆菌有效的氨基酸合成和分泌系统移植到易于控制培养且生长迅速的其他细菌如（大肠杆菌）中。,氨基酸工程菌的构建主要集中在以下3方面：借助于转基因技术，将氨基酸生物合成途径中的限速酶基因导入生产菌中增加其表达量。强化表达氨基酸输出系统的关键基因，或者降低某些基因产物的表达效率，最大限度的接触氨基酸及其生物合成中间产物对其生物合成途径可能造成的反馈抑制。将一种完整的氨基酸合成操纵子导入另一种氨基酸的生产菌中，构建能同时合成2种甚至多种氨基酸工程菌。与其它革兰氏阳性菌不同，谷氨酸棒杆菌能够识别包括革兰氏阴性菌在内的许多原核细菌的外源基因表达控件。,1）色氨酸工程菌的构建,邻氨基苯甲酸合成酶是色氨酸合成途径中的限速酶（图16-6），在野生型谷氨酸棒杆菌中引入编码该酶的基因，色氨酸的产量大约提高130%。,2)L-半胱氨酸高产菌的构建,由于L-半胱氨酸会反馈抑制参与催化L-半胱氨酸生物合成的丝氨酸乙酰转移酶，因而不能从葡萄糖大量合成L-半胱氨酸。（图16-7）将大肠杆菌氨酸乙酰转移酶氨基酸序列上第256位的蛋氨酸残基逐一突变为其他19种氨基酸，并将突变cysE基因转化不降解L-半胱氨酸大肠杆菌，获得L-半胱氨酸产量高的转化子。为提高成功率，在丝氨酸乙酰转移酶缺陷和L-半胱氨酸非利用型的大肠杆菌中表达来自植物拟南芥的不受反馈抑制影响的丝氨酸乙酰转移酶基因，能产生更高水平的L-半胱氨酸。,合成L-抗坏血酸的重组菌L-抗坏血酸的合成从D-葡萄糖开始，包括一步微生物发酵和一系列的化学反应，最后由2-酮-L-古龙糖酸（2-KLG）在酸催化作用下转变成L-抗坏血酸。通过遗传操作能将微生物的不同途径组合起来合成2-KLG，进而生成L-抗坏血酸。如草生欧文菌能通过几个步骤的催化作用，将D-葡萄糖转化成2，5-二酮-L-古龙糖酸（2，5-DKG）但不能将2，5-DKG进一步转化成2-KLG；,而棒杆菌因为具有2，5-DKG还原酶活性只需要一步酶催化作用就能将2，5-DKG转化成2-KLG。因此，可以从棒杆菌中分离2，5-DKG还原酶基因并到如草生欧文菌中高效表达，这样就能利用重组的草生欧文菌直接将D-葡萄糖转化为2，5-DKG，而克隆的2，5-DKG还原酶有能将其转变成L-抗坏血酸的前体2-KLG（图16-8）。,生产酶制剂的工程菌,生物酶工程主要包括3方面内容：利用基因工程技术大量生产酶；对酶基因进行遗传修饰；设计出新的酶基因。,1）凝乳酶凝乳酶（chymosin）是第一个应用于食品工业的基因工程酶。它是生产奶酪的必须用酶，最早是从小牛第四胃的胃末种萃取的一种凝乳物质。转基因凝乳酶成分单一,纯度高，作用时间易把握，风味与萃取物相同。2）耐热-淀粉酶和-淀粉酶日本科学家将耐热的嗜热脂肪芽孢杆菌的-淀粉酶基因转到枯草芽孢杆菌中，获得了高产耐热的-淀粉酶工程菌。,3）-环状糊精葡基转移酶-环状糊精可将多种有机物质包埋在分子内，广泛应用于医药、食品、化妆品等领域。我国科学家用染色体整合扩增技术，成功地构建了大量表达-CGT的基因工程菌BS16-7，震荡试验表明酶活力最高达8900U/ml,有很好的应用潜力。4）其他酶制剂超氧化物歧化酶（SOD）、生产高果糖糖浆的葡萄糖异构酶等。酶是食品加工中的重要辅助剂，利用基因工程菌生产有许多优点：产量高、质量均一、稳定性佳、价格低廉等，有很好的发展前景。,合成靛蓝的工程菌,靛蓝可用于印染棉布和羊毛制品，特别是用来印染牛仔服。它最初来自植物，通过化学合成生产。科学家偶然发现转化假单胞菌降解质粒NAH7DNA片段后的大肠杆菌能合成靛蓝，应大肠杆菌能合成色氨酸酶，将培养基中的色氨酸转变为吲哚；NAH7质粒编码的萘双加氧酶又能将吲哚氧化成对吲哚-2，3-二氢二醇，后者自动脱水、空气氧化后形成靛蓝。（图16-9）因此可以利用重组大肠杆菌细胞制备和成靛蓝的生物反应器。,限制性内切酶的生产限制性内切酶是分子克隆和核酸分析研究的常用工具。其商品化生产时将限制性内切酶基因克隆到大肠杆菌内超量表达。为避免异源限制性内切酶对宿主DNA的降解作用，可以同时克隆限制性内切酶及其对应的修饰酶，但要求这两个基因在染色体上的距离很近（一般在一个操纵子上）。,三、重组DNA技术生产医用抗生素,从发现青霉素至今，人们已从不同的微生物中分离出的抗生素已超过12000种。但重要的医用抗生素绝大部分是从革兰氏阳性链霉菌（Streptomyces）中分离得到的。重组DNA技术的应用，使人们可以用来产生结构上独一无二、活性上升而副作用减小的新抗生素；其次，通过遗传操作也能够迅速提高产量降低成本。,合成新抗生素某链霉菌合成梅德酶素（medermycin），链霉菌质粒（Pij2303）上带有天蓝色链霉菌染色体DNA的一个32.5kbDNA片段，将完整的质粒和携带32.5kbDNA片段的亚克隆（Pij2315）转入链霉菌AM-7161时，能合成相应抗生素梅德酶素。（表16-1）利用基因工程技术生产新的杂种抗生素，尤其是与聚酮抗生素有关的研究已成为热点。,改进抗生素生产开发能有效利用氧的链霉菌利用链霉菌进行大规模抗生素生产时常遇到缺氧的问题。科学家们借鉴好氧微生物用来抵御缺氧环境的策略，如好氧菌透明颤菌属（Vitreoscilla）能合成同源二聚体血红素蛋白，将该基因克隆入链霉菌质粒载体，在天蓝色链霉菌中利用透明颤菌属血红蛋白基因的启动子表达。从而使细胞获得足够的氧气进行增殖。,转基因产黄头孢工程菌大量生产7ACA（7-氨基头孢酸）,化合物7ACA由头孢菌素C合成（图16-10）是许多头孢烯类抗生素（头孢菌素）合成的起始物质。通过基因重组，将来自真菌茄病镰刀菌的D-氨基酸氧化酶基因和来自缺陷短波假单胞菌的头孢菌素酰化酶基因转化能产生头孢菌素C的产黄头孢，得到的基因工程菌就能大量合成7ACA（图16-11、16-12）。,抗生素生产菌的遗传改良还包括其他方面：。,通过解除抗生素生物合成中的限速步骤来提高其产量；通过引入抗性基因和调节基因来提高其产量；通过敲除和破坏次要组分的基因来消除或减少次要组分来提高产量,四、环境微生物基因工程菌的应用微生物基因工程技术是实现有机废物资源化的首选。它能将有机污染物转化为沼气、酒精、有机材料或原料、单细胞蛋白等。还可以改造传统生产工艺，使生产过程的清洁化、生态化、或无废化。下面介绍几种常见种类。,修复重金属离子污染土壤的基因工程菌微生物对重金属的生物富集作用包括表面吸附、固定、吸收等。目前已有研究者利用细菌表达金属硫蛋白MT（metallothionein）提高其固定污染土壤中有利重金属离子的能力。,含酚废水危害极大。自然界中存在很多能降解芳烃及其氯代衍生物的土著微生物如苯酚降解菌、苯胺降解菌、萘降解菌等，它们虽然在实验室条件下能高效降解污染物，但在自然条件下却不能很好的发挥作用。因为这类菌株是通过单一地物富集而分离的，自然条件下不具备降解混合污染物的能力。通过基因工程手段能增强或添加菌株的污染物降解能力。许多重要的芳烃及其氯代衍生物降解基因位于大小超过40kb的降解质粒上如儿茶酚降解质粒等。芳烃及其衍生物降解基因通常连锁成簇组成操纵子，如儿茶酚降解基因catABCD。,含酚工业废水中典型污染物的生物降解技术,造纸废水包括化学制浆和化学漂白两部分，在制浆过程中，纸浆中残留的木质素与木聚糖形成复合体紧密地附着在纤维上，影响纸张的白度和强度。生物技术漂白就是利用微生物酶类如木聚糖酶（xylanase）与漆酶（laccase）的共同作用，降解造成纸浆褐色的木质素木聚糖复合体，是纸浆各种参数达标。,造纸工业中木聚糖酶高效表达工程菌的应用,石油产品的微生物脱硫技术,为了减少石油产品中的含硫化合物，降低汽油柴油