一种生产单细胞蛋白的方法及碳固定系统技术方案

本公开属于微生物和基因工程技术领域，具体来说，本公开涉及一种生产单细胞蛋白的方法及碳固定系统。本公开提供的生产单细胞蛋白的方法，通过选择性加强重组氢氧化细菌中利用氢产生能量的氢元件，和参与合成目标产物的固碳元件，并且对发酵反应条件进行优化，能够提高重组氢氧化细菌对氢气的利用效率和固碳反应的效率，显著提高对单细胞蛋白的生产速率，得到高产的单细胞蛋白，具有产量高、技术简单、容易控制等优点。易控制等优点。易控制等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种生产单细胞蛋白的方法及碳固定系统


[0001]本公开属于微生物和基因工程
，具体来说，本公开涉及一种生产单细胞蛋白的方法及碳固定系统。

技术介绍

[0002]单细胞蛋白(Single Cell Protein，SCP)又称微生物蛋白、菌体蛋白，是利用各种基质大规模培养细菌、酵母菌、霉菌、微型藻等而获得的微生物蛋白。单细胞蛋白的化学组成中一般以蛋白质、脂肪为主，含粗蛋白50％～85％，并且氨基酸组分齐全，还含维生素、无机盐、脂肪和糖类等，其营养价值优于鱼粉和大豆粉。单细胞蛋白不仅能制成“人造肉”，供人们直接食用，还常作为食品添加剂，用以补充蛋白质或维生素、矿物质等。目前，已发现藻类、细菌和高等真菌均可生产SCP产品。其中，通过微生物大量表达合成蛋白质，或者将整个菌体作为单细胞蛋白，有望突破传统的农业和养殖业限制，实现一种高效、快速、节能、减废的绿色饲料蛋白生产方式。
[0003]氢氧化细菌(Hydrogen
‑
oxidizing bacteria)是能够利用H2作为电子供体、O2作为电子受体并同化CO2的一类兼性化能自养型细菌。近年来随着可再生能源技术和生物技术的发展，以及全球气候变化、国际形势动荡和自然病灾突发等带来的挑战，以二氧化碳为碳源，以可再生能源产生的氢气为能量，培养氢氧化细菌生产单细胞蛋白的技术逐渐受到关注，具有重要的应用潜力。
[0004]专利文献1公开了一种使用化能自养微生物来从工业废物俘获碳的系统和方法。系统包括工业源；以及包括微生物的生物反应器。生物反应器被供给有来自源的废物流，该废物流向微生物提供碳；并且也被供给有氢原料。微生物从氢原料获取能量，通过化能自养将提供的碳转换为化学产物。该方法虽然能够将工业废物中的碳氧化物转化为诸如羟基链烷酸酯类、聚羟基链烷酸酯类的有机化合物，然而，其化能自养微生物存在对氢原料的利用率低，转化有机化合物的效率需提高的问题。并且，该微生物反应器未用于生产单细胞蛋白，无法实现对单细胞蛋白的高效生产。
[0005]专利文献2公开了将如可再生H2和废弃CO2发生炉煤气或合成气等气态底物转化为高蛋白生物质的微生物和生物过程，所述高蛋白生物质可以直接用于人类营养，或用作植物、真菌或其它微生物的营养素或用作土壤碳、氮和其它矿物质营养素的来源。然而，该方法同样存在对H2、CO2的利用率不高的问题，限制了转化生产生物质、氨基酸、蛋白质等的效率。
[0006]引用文献：
[0007]专利文献1，CN103958687A
[0008]专利文献2，CN110678539A

技术实现思路

[0009]专利技术要解决的问题
[0010]鉴于现有技术存在的问题，例如，微生物以H2为能源固定CO2的过程存在对H2的利用率低，固定CO2的效率低，导致生产单细胞蛋白的速率和产量低的问题。为此，本公开提供了一种生产单细胞蛋白的方法，通过使用氢元件和固碳元件选择性加强的重组氢氧化细菌，能够有效提高对氢能源的利用率，以及固碳反应合成单细胞蛋白的效率，得到产量高、生产速率快的单细胞蛋白。
[0011]用于解决问题的方案
[0012]第一方面，本公开提供了一种生产单细胞蛋白的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
[0013]向包含重组氢氧化细菌的发酵培养基中通入作为能源的第一气体，和作为碳源的第二气体；对重组氢氧化细菌进行发酵培养，使重组氢氧化细菌合成单细胞蛋白；
[0014]其中，所述重组氢氧化细菌包括通过氢氧化反应产生能量的氢元件，和通过固碳反应合成目标产物的固碳元件；
[0015]并且，与野生型氢氧化细菌相比，所述重组氢氧化细菌具有如下(i)
‑
(ii)中至少一项所示的特性：
[0016](i)氢元件中一个或多个与氢氧化反应相关的蛋白活性，或蛋白编码基因的表达水平被增强；
[0017](ii)固碳元件中一个或多个与固碳反应相关的蛋白活性，或蛋白编码基因的表达水平被增强。
[0018]在一些实施方式中，根据本公开所述的方法，其中，所述发酵培养的温度为25
‑
35℃，所述发酵培养的pH为5.5
‑
8.0。
[0019]在一些实施方式中，根据本公开所述的方法，其中，所述第一气体包含氢气和氧气，所述第二气体包含二氧化碳，所述氢气、氧气和二氧化碳的体积比为(4
‑
7):1:1；优选7:1:1；
[0020]优选地，所述第一气体和所述第二气体混合通入发酵培养基；每分钟向所述发酵培养基通入所述第一气体和所述第二气体的混合气体的体积，与容置所述发酵培养基的反应内腔的体积比为(2
‑
5)：10。
[0021]在一些实施方式中，根据本公开所述的方法，其中，所述发酵培养基是包含磷酸盐的发酵培养基，所述磷酸盐的浓度为25
‑
35mM；
[0022]可选地，所述磷酸盐选自磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠中的一种或两种以上的组合；
[0023]优选地，所述发酵培养基中还包含亚铁盐；更优选地，所述亚铁盐为硫酸亚铁，所述硫酸亚铁的浓度为30
‑
60mg/l。
[0024]在一些实施方式中，根据本公开所述的方法，其中，所述与固碳反应相关的蛋白包括核酮糖
‑
1,5
‑
二磷酸羧化酶/加氧酶；可选地，所述与固碳反应相关的蛋白还包括分子伴侣；优选地，所述分子伴侣选自GroES和GroEL中的至少一种。
[0025]在一些实施方式中，根据本公开所述的方法，其中，所述核酮糖
‑
1,5
‑
二磷酸羧化酶/加氧酶包括如(a1)
‑
(a2)任一项所示的第一亚基，如(a3)
‑
(a4)任一项所示的伴侣蛋白，以及如(a5)
‑
(a6)任一项所示的第二亚基：
[0026](a1)如SEQ ID NO：1所示氨基酸序列的多肽，或者如SEQ ID NO：1所示氨基酸序列
经过取代、重复、缺失或添加一个或多个氨基酸，且具有SEQ ID NO：1所示序列的多肽活性的多肽；
[0027](a2)由与SEQ ID NO：6所示的核苷酸序列具有至少90％的序列同一性的序列编码的，具有SEQ ID NO：1所示序列的多肽活性的多肽；
[0028](a3)如SEQ ID NO：2所示氨基酸序列的多肽，或者如SEQ ID NO：2所示氨基酸序列经过取代、重复、缺失或添加一个或多个氨基酸，且具有SEQ ID NO：2所示序列的多肽活性的多肽；
[0029](a4)由与SEQ ID NO：7所示的核苷酸序列具有至少90％的序列同一性的序列编码的，具有SEQ ID NO：2所示序列的多肽活性的多肽；
[0030](a5)如SEQ ID NO：3所示氨基酸序列的多肽，或者如SEQ ID NO：3所示氨基酸序本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生产单细胞蛋白的方法，其中，所述方法包括以下步骤：向包含重组氢氧化细菌的发酵培养基中通入作为能源的第一气体，和作为碳源的第二气体；对重组氢氧化细菌进行发酵培养，使重组氢氧化细菌合成单细胞蛋白；其中，所述重组氢氧化细菌包括通过氢氧化反应产生能量的氢元件，和通过固碳反应合成目标产物的固碳元件；并且，与野生型氢氧化细菌相比，所述重组氢氧化细菌具有如下(i)
‑
(ii)中至少一项所示的特性：(i)氢元件中一个或多个与氢氧化反应相关的蛋白活性，或蛋白编码基因的表达水平被增强；(ii)固碳元件中一个或多个与固碳反应相关的蛋白活性，或蛋白编码基因的表达水平被增强。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发酵培养的温度为25
‑
35℃，所述发酵培养的pH为5.5
‑
8.0。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一气体包含氢气和氧气，所述第二气体包含二氧化碳，所述氢气、氧气和二氧化碳的体积比为(4
‑
7):1:1；优选7:1:1；优选地，所述第一气体和所述第二气体混合通入发酵培养基；每分钟向所述发酵培养基通入所述第一气体和所述第二气体的混合气体的体积，与容置所述发酵培养基的反应内腔的体积比为(2
‑
5)：10。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的方法，其中，所述发酵培养基是包含磷酸盐的发酵培养基，所述磷酸盐的浓度为25
‑
35mM；可选地，所述磷酸盐选自磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠中的一种或两种以上的组合；优选地，所述发酵培养基中还包含亚铁盐；更优选地，所述亚铁盐为硫酸亚铁，所述硫酸亚铁的浓度为30
‑
60mg/l。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的方法，其中，所述与固碳反应相关的蛋白包括核酮糖
‑
1,5
‑
二磷酸羧化酶/加氧酶；可选地，所述与固碳反应相关的蛋白还包括分子伴侣；优选地，所述分子伴侣选自GroES和GroEL中的至少一种。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述核酮糖
‑
1,5
‑
二磷酸羧化酶/加氧酶包括如(a1)
‑
(a2)任一项所示的第一亚基，如(a3)
‑
(a4)任一项所示的伴侣蛋白，以及如(a5)
‑
(a6)任一项所示的第二亚基：(a1)如SEQ ID NO：1所示氨基酸序列的多肽，或者如SEQ ID NO：1所示氨基酸序列经过取代、重复、缺失或添加一个或多个氨基酸，且具有SEQ ID NO：1所示序列的多肽活性的多肽；(a2)由与SEQ ID NO：6所示的核苷酸序列具有至少90％的序列同一性的序列编码的，具有SEQ ID NO：1所示序列的多肽活性的多肽；(a3)如SEQ ID NO：2所示氨基酸序列的多肽，或者如SEQ ID NO：2所示氨基酸序列经过取代、重复、缺失或添加一个或多个氨基酸，且具有SEQ ID ...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱之光，马春玲，毕昌昊，
申请(专利权)人：中国科学院天津工业生物技术研究所，
类型：发明
国别省市：