第45卷第5期 2015年1O月 工业微生物 Vo1.45 No.5 Oct.2015 Industi ̄Microbifology doi:10.3969/j.issn.1001—6678.2015.05.005 紫外诱变选育恩拉霉素高产菌株 王建玲, 许铭玉, 石天歌, 安兴娟, 张紫音, 程 思, 姬阿美, 马翠萍, 高 爽, 王应东, 张会图 天津科技大学生物工程学院,天津300457 摘要:本研究采用紫外诱变育种技术对一株产恩拉霉素抗真茵链霉菌(Streptomycesfungicidicus) F11O进行了诱变处理,经链霉素抗性、利福霉素B抗性以及双重抗性筛选,共获得了132株抗生素 抗性突变株,其中26株突变茵株的恩拉霉素产量与出发茵株相比均有明显提高。摇瓶发酵条件 下,突变株SR93的恩拉霉素产量最高可达2 400 t ̄g/mL,与出发茵株相比提高了38%。传代结果 表明:该突变株产素水平稳定,因此具备较好的开发及工业应用价值。 关键词:紫外诱变;恩拉霉素;抗生素抗性筛选 恩拉霉素(Enramycin)又名持久霉素,是由土壤 中的放线菌发酵产生的一种非核糖体多肽(NRP) 类抗生素…,对革兰氏阳性菌特别是禽畜肠道内有 害梭状芽孢杆菌具有较强的抑制作用 ;饲料中添 加适量的恩拉霉素不仅可以预防常见的动物消化道 疾病,还可改善动物肠道内的群落平衡,有利于饲料 营养成份的消化吸收,促进动物增重 j。同时,恩 拉霉素具有广谱、低毒、低残留、不易产生耐药性和 交叉抗性等优点,因此是目前少数几种可用于饲料 添加剂的抗生素之一L4 J。目前恩拉霉素的生产主 要由抗真菌素链霉菌(Streptomyces fungicidicus)发酵 获得,由于该菌株发酵周期长,产素水平低,了 恩拉霉素的大规模生产和进一步的推广应用 。 受多重因素,因此很难通过单个编码基因或表 达因子的改变而达到理想的效果 ;而传统的 诱变育种技术则往往可以通过简便快速的诱变及适 当的筛选手段而获得生产性能优良的工业菌株。因 此传统的诱变育种技术在目前抗生素产生菌的选育 过程中具有不可取代的地位。迄今,利用紫外诱 变、化学诱变、微波诱变、太空诱变以及离子束诱变 等技术已成功选育出了大量产量高、活性强的优良 微生物菌种。王世梅利用紫外线诱变选育出数株阿 扎霉素(Azinomycin)B产量较出发菌株高3倍以上 的高产菌株,且传代稳定 ;吴越等则采用亚 盐化学诱变育种技术使一株炭样小单孢菌JXNU-1 的抗生素产量提高了2倍_8 ;阎永贞等对一株纳他 霉素产生菌Streptomyces natalensis SIPI-NHF-09进行 因此采用现代生物遗传育种技术进一步提高恩拉霉 素产生菌的产素水平及生产性能,对于降低恩拉霉 素生产成本、提高市场竞争力具有重要的意义。 了紫外和微波相结合的诱变处理,并获得了一株纳 他霉素高产突变株,其纳他霉素产量是出发菌株的 目前工业微生物的遗传育种方法主要可分为两 类:一种为传统(物理/化学)诱变育种技术;另一种 为现代分子生物学技术,即通过对特定基因进行定 向改造来进一步提高菌种的生产性能。然而对于大 机制及代谢机制非常复杂,抗生素的产生往往 3.5倍,且遗传性状稳定,具有一定的产业化开发价 值 。 本研究采用紫外诱变育种技术,对本实验室保 存的一株工业生产用恩拉霉素产生菌Streptomyces 部分抗生素产生菌而言,由于其抗生素的生物合成 fungicidicus F1 10进行了多轮诱变处理,采用抗生素 (链霉素、利福霉素)抗性筛选法获得了26株恩拉 基金项目:通过紫外诱变育种技术获得恩拉霉素高产菌株,实验室基金项目(项目编号:1404A204)。 作者简介:王建玲(1962~),女,学士,研究员。E-mail:wj101@tust.edu.cn。 通讯作者:张会图(1975~),男,博士,副教授,研究方向:微生物与生化药学。Tel:022 ̄0601958,E—mail:hzhang@tust.edu.cn。 一23— 第5期 工业微生物 第45卷 霉素产量明显提高的正突变菌株,并对这些菌株的 将培养后获得的新鲜孢子接种至2XYT液体培 发酵性能进行了研究。该研究旨在为工业化发酵高 效生产恩拉霉素提供生产菌种。 养基,28 qC摇床培养24 h,经适当稀释后分别涂布 在含不同浓度链霉素或利福霉素B(1 I ̄g/mL、2 1材料…1.1 材料 1.1.1 菌种 菌落生长情况。记录未长菌落平板上的链霉素或利 福霉素B的最低浓度,即为链霉素/利福霉素B对 该菌的最小抑制浓度。 1.2.2单孢子悬液的制备和计数 向培养好的新鲜孢子斜面中加入10 mL灭菌的 生理盐水,用接种环将孢子刮下,并将其转移至含玻 璃珠的灭菌大试管中,蜗旋震荡打散孢子,再经脱脂 棉过滤获得单孢子悬液;经适当稀释后进行血球板 显微计数。 1.2.3致死率曲线的绘制 取单孢子悬液5 mL,用无菌生理盐水反复离心 洗涤3次,并最终制备成浓度为(1.0—1.5)×10 /mL 的孢子悬液;取6.0 mL于直径7 cm的平皿中,并放 置于磁力搅拌器上,边搅拌边照射,紫外灯预热30 min,紫外灯功率15 w,照射波长254 nm,照射距离 30 am,照射时间分别设为0 S、15 S、30 S、45 S、60 S、 75 s、90 8、105 S、120 S。诱变后的菌体经生理盐水 适当稀释后,取0.1 mL涂布于GYT平板培养基上, 28 qC避光培养5 d后,测活菌数,并计算致死率;致 死率(%)=(D—E)/D×100;式中:D为诱变前平 板菌落数;E为诱变后平板菌落数。 1.2.4紫外诱变及抗性突变株的筛选 恩拉霉素产生菌:抗真菌链霉菌(Streptomyces fungicidicus)F110(ATCC 21013),生物测定指示菌: 枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)TCCC 11589均由本 研究室保存。 1.1.2培养基 平板培养基GYT(%)葡萄糖0.8、酵母提取物 0.08、金鱼膏0.08、胰蛋白胨0.1、琼脂2,pH 8.0; 种子培养基(%)葡萄糖3.0、玉米浆3.0、碳酸钙2、 酵母粉0.5、氯化钠0.8,pH 7.5;摇瓶发酵培养基 (%)玉米粉14、玉米浆4、尿素0.5、磷酸二氢钾 0.02、氯化锌0.05、硫酸亚铁0.013、氢氧化钾0.3、 碳酸钙0.5、氯化钠0.5,pH 7.5;含指示菌的测活培 养基为LB固体平皿(%)胰蛋白胨1.0、酵母提取物 0.5、氯化钠0.5、琼脂2,pH 7.0;2XYT培养基(%) 胰蛋白胨1.6、酵母提取物1.O、氯化钠0.5。 1.1.3试剂 链霉素、利福霉素B均购自Sigma公司,纯度分 别为98.5%和97.3%;恩拉霉素标品为8%预混 剂,购自美仑生物;氯化锌、尿素、磷酸二氢钾、氢氧 化钾、硫酸亚铁、氯化钠、氯化铵、硫酸铵等为分析 纯,均购自国药集团;胰蛋白胨和酵母提取物购自 Oxford;乙腈、甲醇等均为色谱纯,购自国药。 1.1.4仪器与设备 紫外诱变箱和磁力搅拌器(济南杰康净化设备 厂);HZQF160全温摇床(哈尔滨东联电子科技开发 有限公司);超净工作台(河南郑州南北仪器设备有限公司);恒温培养箱(上海欧迈科学仪器有限公 司);1200型HPLC色谱仪(美国Agilent公司); Gemini C18柱(4.6 mm×150 mm,5 m)。 1.2方法 1.2.1链霉素和利福霉素B 对菌株S.fungicidicus F110的最低抑制浓度 (MIC)测定 根据致死率曲线,选择合适的照射剂量,对出发 菌株S.fungicidicus F110进行诱变处理;将诱变后 孢子离心沉淀后,全部转移至2XYT液体培养基,避 光条件下,28 qC摇床培养24 h,经生理盐水洗涤后, 分别涂布于含链霉素5 ̄g/mL或利福霉素B 10 lxg/mL的固体平皿上,28℃培养8 d,筛选抗生素抗 性突变株。 1.2.5 突变株产恩拉霉素水平的初步检测 将抗生素抗性突变株转接至不含抗生素的固体 平板培养基,待长出针尖样菌落时,用打孔器连同下 面的培养基一起取出,转移至无菌空平皿中,保持相 同的湿度,30℃培养2 d。把每一长满单菌落的琼 脂块移至已混有指示菌(Bacillus subtilis)的大块LB 第5期 王建玲等:紫外诱变选育恩拉霉素高产茵株 浓度(MIC)测定 第45卷 固体平板,4 o【=保存12 h,然后移至30℃培养箱培 养,分别测定各琼脂块的抑菌圈直径,并用出发菌株 做对照。 与不加抗生素(链霉素、利福霉素B)的培养基 相比,加入抗生素的培养基菌落生长明显滞后,且菌 落相对较小,随着培养基中抗生素浓度的增加,出发 菌株在筛选平板上的单菌落逐渐减少。由表1可知 当链霉素浓度达到3.0 Ixg/mL,利福霉素B的浓度 1.2.6 恩拉霉素产生茵的发酵培养 将琼脂块法筛选得到的菌株接种至种子摇瓶, 装液量为50 mL/250 mL三角瓶,28℃,200 r/min 震荡培养48 h,制得种子培养液;按1/25的接种量 达到8.0 wg/mL时,筛选平板上无菌落生长。故链 霉素对S.fungicidicus F1 10菌株的最小抑制浓度为 3.0 wg/mL,而利福霉素B对该菌株的最小抑制浓 度为8.0 wg/mL。 接种至发酵培养基(100 mL/500 mL三角瓶),每株 菌3个平行样,同时以出发菌株作为对照,28 c【=, 200 r/min,振荡培养8 d。 1.2.7发酵产物的HPLC分析 恩拉霉素标准曲线的绘制:称取恩拉霉素A预 混剂标品(恩拉霉素A:8.0%)2.0 g,加入16 mL丙 酮浸提液(丙酮:2 mol/L盐酸:水=20:1:20,pH 3.5),室温下震荡浸提1 h,经0.45 m滤膜过滤 表1 链霉素7L ̄,l福霉素B对茵株S.fungicidicus F11O的最小抑制浓度(MIC) 后,制成浓度为10 mg/mL的恩拉霉素A标准母液, 再经适当稀释,分别制得浓度为200 I ̄g/mL、400 g/mL、600 I ̄g/mL、800 I ̄g/mL 1 000 tzg/mL、1 200 Ixg/mL、1400 I ̄g/mL的恩拉霉素A标准溶液,各取 10 uJL标准液进行HPLC分析,然后以恩拉霉素A 的浓度为横坐标,以恩拉霉素A的峰面积为纵坐标 绘制标准曲线。 注:++ :生长快速且有大量孢于形成;+ :司生长但不产生孢子或孢子 形成量少;+:生长缓慢;一:不生长 样品制备:取5.0 mL发酵液,离心弃上清,沉淀 经冷冻干燥后,加人10 mL丙酮浸提液,室温下震荡 浸提1 h,经0.45 um滤膜过滤后,取10 L样品进 2.2致死率曲线的绘制 紫外诱变的机理是使同链DNA的相邻胸腺嘧 啶间形成嘧啶二聚体而诱使细胞发生SOS反应,并 进一步导致基因组DNA在复制或修复过程中错配 率增加,进而导致基因突变。不同种类的放线菌在 不同生长状态下对紫外线的敏感性不同,因此在进 行紫外诱变之前,首先对S.fungicidicus F1 10孢子 进行了致死率曲线的绘制并确定了最佳诱变剂量。 由图1可知:紫外线的照射时间与F110菌株的致死 行HPLC分析,根据标准曲线计算发酵液中的恩拉 霉素A产量。 HPLC检测条件:色谱柱C18反向色谱柱(4.6 ×150 mm,中=5 Ixm);柱温30℃;进样量10 IzL;紫 外检测波长267 nm。流动相 乙腈:NaH PO 溶液 (50 mmo]/L)=3:7,磷酸调节pH 4.5;流速:1.0 mL/min。 率之间存在明显的剂量效应关系。随着照射时间的 1.2.8遗传稳定性考察 延长,致死率逐渐上升。当照射时间为90 S,可使 F1 1O孢子的致死率大于90%;当紫外线照射时间为 150 s时,孢子几乎全部死亡。因此在当前照射条件 下,选择的最佳照射时间为90 S。 2.3紫外诱变及抗生素抗性筛选 将筛选获得的高产突变株进行固体平板传代培 养及4℃冰箱保存,考察了突变株1~5代摇瓶发酵 的恩拉霉素产量以及不同保存时间的菌株恩拉霉素 产量。 2结果与讨论 2.1链霉素和利福霉素B对出发菌株的最小抑制 采用最佳照射时间(90 S)对单孢子悬液进行了 紫外线诱变处理。为使突变后菌株的表型得以充分 表达,将诱变后的孢子转接至2XYT液体培养基,避 第5期 王建玲等:紫外诱变选育恩拉霉素高产菌株 第45卷 表2部分正突变株的抑茵实验及其与野生出发菌 株的对比 对发酵水平无明显影响,该菌株具有较好的遗传稳 定性。 3结论 大量研究表明,向微生物核糖体或RNA聚合 酶中引入特定的突变有助于其次级代谢产物产量的 提高。由于这些突变往往导致菌株同时对作用于核 糖体或RNA聚合酶的药物(抗生素)产生抗性,因 此可以抗性突变为指针,建立一种简单易行的微生 物定向育种新方法¨。。。根据这一理论,本研究分别 采用了与核糖体相关的链霉素抗性筛选以及与 RNA聚合酶相关的利福霉素抗性筛选对诱变后的 恩拉霉素产生菌进行了初筛。结果显示:两种筛选 方法在淘汰野生型、浓缩突变型的同时均可在很大 程度上提高正突变菌株的获得几率。其中链霉素抗 性筛选法可使突变菌株中的正突变率达到30%,每 l0个突变菌株中就有3个菌株的恩拉霉素产量明 显高于出发菌株。而以往的诱变育种工作显示:平 注:黑体标注菌株为恩拉霉素产量提高明显的菌株,并准备做进一步摇瓶发 酵验证 均上万个诱变后的菌株中才会有1到2个恩拉霉素 产量明显提高的突变株。因此该方法在较大程度上 减少抗生素高产菌筛选的盲目性和不定向性,提高 表3部分正突变株的摇瓶发酵验证及HPLC分析 对目的菌的筛选效率,极大地减少诱变筛选的工作 量。 参考文献 [1]MeCafferty D,Cudic P,Frankel B,et a1.Chemistry and biology of the ramoplanin family of peptide antibiotics.Biopolymers, 2002,66(4):261-284. 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Key words UV mutagenesis;enramycin;antibiotic resistance screening 一28—