毕业论文课题相关文献综述

文 献 综 述1. 木糖利用的研究概况 1.1 木糖的理化性质　　 木糖的溶解度：木糖为细针状晶体，外观白色细小结晶或粉末，味甜，甜度相当于蔗糖的0.7；熔点为153～154℃，有变旋现象； 20℃时溶解度为100g水中可溶解木糖51.24g，在同等温度条件下，其饱和溶液的粘度比木糖醇、葡萄糖均小。　　木糖是木聚糖的一个组分，木聚糖广泛存在于植物中。木糖也存在于动物肝素、软骨素和糖蛋白中，它是某些糖蛋白中糖链与丝氨酸（或苏氨酸）的连接单位。在自然界迄今还未发现游离状态的木糖。木糖是一种戊糖。天然D-木糖是以多糖的形态存在于植物中。因为它们特别在农产品的废弃部分中（例如玉米的穗轴、秸秆、棉桃的外皮）含量很多，所以自古以来对它的利用法就有很大兴趣。在细菌中有的能利用D-木糖为碳源，曾试图利用它作为发酵培养基的成分。在动物中羊几乎能完全地利用木糖，而猪仅能利用70%左右。以木糖饲养大鼠可引起白内障。由肠管壁的吸收速度远比D-萄葡糖为慢。从萄萄糖经过D-葡糖-6-磷酸→α-D葡糖-1-磷酸→UDP-D-萄葡糖→UDP-D-葡糖醛酸→UDP-D-木糖的途径进行生物合成，再以此糖核苷酸为底物把木糖残基转移引入到多糖中。在动物的蛋白多糖中D-木糖与多肽链的丝氨酸残基以糖苷键连接，而成为多糖侧链与蛋白质的桥接结构。　　1.2 木糖的应用前景 木糖工业是一个新兴工业,有着广阔的应用前景。我国是农业大国,原料资源丰富,市场广阔,发展条件得天独厚。加之金融危机的消退，木糖市场呈现快速增长趋势，预计到2011年国际市场需求量将超过4万吨，国内需求也将达到1万吨以上。未来几年食品级木糖需求将以25%左右的速度增长，随着经济的发展，人民生活逐渐由温饱型向营养型、保健型转变，食品级木糖成为未来发展的必然趋势。 1.3 木糖的传统应用　　 1）木糖主要通过还原加氢制造木糖醇，其用途更加广泛。　　 2）木糖在食品、饮料中作为无热量甜味剂，适用于肥胖及糖尿病患者。　　 3）木糖在发达国家已应用于宠物饲料。　　 4）木糖用作烤制品。　　 5）木糖用作高档酱油色。　　 6）在轻工、化工方面也有一定用途。 2.问题的提出 木糖资源高效利用是提高木质纤维原料生物炼制经济效益的关键途径之一，谷氨酸棒杆菌被广泛用于氨基酸以及核苷酸的工业生产, 在细胞生长停滞的状态下仍能大量合成氨基酸.对呋喃、糠醛等抑制物也具有良好的耐受性， 通过遗传和代谢工程改造， 谷氨酸棒杆菌有望成为理 想的木质纤维原料催化转化生产菌株。综述了谷氨酸棒杆菌木糖和阿拉伯糖利用工程菌构建的研究进展和策略， 最后提出了今后优化谷氨酸棒杆菌戊糖代谢能力的研究方向。 3.探究木糖利用的新方法 3.1 谷氨酸棒杆菌的木糖代谢途径及创新 木质纤维素生物质从农业废弃物是一种丰富的，成本低廉的和有吸引力的用于生物燃料和化学品的生产的可再生原料。木质纤维素的主要成分是纤维素，半纤维素和木质素。而纤维素是一种均聚物的D-葡萄糖，杂聚物包含各种己糖如葡萄糖和戊糖，木糖等。另一方面，工业微生物中相对较少的原生菌株能够代谢戊糖作为底物，尽管重组菌株能够提高戊糖代谢途径。另一方面，在葡萄糖的存在下细胞暴露于混合糖中将会发生一个典型的二次生长模式的增长。微生物有顺序地消耗混合糖如葡萄糖和木糖的必然比同时利用糖的生物体的生产率低。 从木质纤维素生物质化学品生产的产业化来看，发展微生物的同时消耗己糖和戊糖成为一大技术瓶颈。木糖广泛包含在木质纤维素生物质。木糖利用是一种经济可行的生产大宗化学品的方法。在这样的水解物，木糖在葡萄糖存在的条件下如何快速、高效的转换可以极大地影响生产的商品交易的整个过程中的商业可行性。 谷氨酸棒杆菌广泛分布在自然界中，是一种生长迅速、非致病性、高G C含量的革兰氏阳性菌，对木质纤维素中的抑制物质，如4-羟基苯甲酸、香草醛、丁香醛等具有较好的耐受性[37]，在利用木质纤维素降解成分方面具有极大的优势，被广泛用于氨基酸等工业产品的大规模生产。 谷氨酸棒杆菌可用于工业生产中的各种氨基酸。此外，由于在缺氧条件下生长停滞的细胞的生产能力，它具有用于高效生产乙醇或有机酸：D-乳酸，琥珀酸盐的巨大潜力。因为已知谷氨酸棒杆菌通常不使用D-木糖作为底物，这是由于缺乏编码木糖异构酶XYLA 的基因，它能够催化D-木糖转化为D -木酮糖。当异源表达从大肠杆菌引入的XYLA或XYLA -xylB基因时，谷氨酸棒杆菌R能在包含木糖为唯一碳源的矿物培养基中生长。通过点的异源表达（L-阿拉伯糖转运蛋白基因）从谷氨酸棒杆菌ATCC31831生产出谷氨酸棒杆菌重组质粒，含有araE -harboring的重组谷氨酸棒杆菌能够无论在缺氧还是在有氧条件下同时，有效地利用糖的混合物。 之前我们已经构建了一个工程菌，它能在缺氧条件下利用木糖代谢生产琥珀酸。在这项研究中，我们调查了参与木糖利用中谷氨酸的PTSG基因。结果将使我们能够同时利用葡萄糖和木糖。此外，它是PTSG基因应用于谷氨酸棒杆菌中木糖的利用的第一份报告。 3.2 丝状真菌及酵母的木糖代谢途径 利用木糖的酵母菌及丝状真菌的木糖代谢途径，首先是在依赖NADPH的木糖还原酶(Xylose reductase,XR)作用下将木糖还原为木糖醇，随后在依赖NAD 的木糖醇脱氢酶(Xylitol dehydrogenase,XDH)作用下氧化生成木酮糖，木酮糖再经木酮糖激酶(Xylulokinase)磷酸化形成5-磷酸木酮糖，然后进入磷酸戊糖途径(Pentose phosphate pathway,PPP)[40]，PPP途径的中间产物6-磷酸葡萄糖及3-磷酸甘油醛再通过EMP途径或者TCA循环生成其它的产物。 3.3 细菌的木糖代谢途径　　　 与丝状真菌和酵母菌的木糖代谢途径不同，细菌的木糖代谢途径是通过木糖异构酶(Xylose isomerase,XI)直接将木糖转化为木酮糖；然后通过木酮糖激酶作用生成5-磷酸木酮糖，由此进入PPP途径，PPP途径的代谢中间产物6-磷酸葡萄糖及3-磷酸甘油醛通过酵解途径形成丙酮酸，丙酮酸再经TCA循环生产琥珀酸或者其它产物。4本实验研究的主要内容 本课题旨在对产生谷氨酸棒杆菌微生物进行基因改造，从而验证在谷氨酸棒杆菌中ptsG基因对木糖利用的影响。利用基因敲除技术去除谷氨酸棒杆菌中的ptsG基因，再利用基因回补技术引入ptsG基因，分别构建重组表达质粒，转化进入谷氨酸棒杆菌中进行发酵、表达、验证。参考文献 [1] Aduse-Opoku J, Mitchell W (1988) Diauxic growth of Clostridium thermosaccharolyticum on 254 glucose and xylose. FEMS Microbiol Lett 50(1): 45-49 [2] Aristidou A, Penttila M (2000) Metabolic engineering applications to renewable resource utilization. Curr Opin Biotechnol 11(2): 187-198 [3] Hernndez-Montalvo V, Valle F, Bolivar F, Gosset G (2001) Characterization of sugar mixtures utilization by an Escherichia coli mutant devoid of the phosphotransferase system. Appl Microbiol Biotechnol 57(1-2): 186-91. [4] Jakoby M., Ngouoto-Nkili CE, Burkovski A (1999) Construction and application of new Corynebacterium glutamicum vectors. Biotechnol Tech 13: 437-441. [5] Jojima T, Omumasaba CA, Inui M, Yukawa H (2010) Sugar transporters in efficient utilization of mixed sugar substrates: current knowledge and outlook. Appl Microbiol Biotechnol 85(3):471-480. [6] Kawaguchi H, Verts AA, Okino S, Inui M, Yukawa H (2006) Engineering of a xylose metabolic pathway in Corynebacterium glutamicum. Appl Environ Microbiol 72(5): 3418-3428. [7] Sambrook J, Fritsch EF, Maniatis T (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor. [8] Sasaki M, Jojima T, Kawaguchi H, Inui M, Yukawa H (2009) Engineering of pentose transport in Corynebacterium glutamicum to improve simultaneous utilization of mixed sugars. Appl Microbiol Biotechnol 85(1):105-115. [9] Schfer A, Tauch A, Jger W, Kalinowski J, Thierbach G, Phler A (1994) Small mobilizable15 multi-purpose cloning vectors derived from the Escherichia coli 307 plasmids pK18 and pK19: selection of defined deletions in the chromosome of Corynebacterium glutamicum. Gene, 145(1):69-73 [10] Stu╨ke J, Hillen W (2000) Regulation of carbon catabolism in Bacillus species. Annu Rev Microbiol 54:849880 [11] Tao H, Gonzalez R, Martinez A, Rodriguez M, Ingram LO, Preston JF, Shanmugam KT (2001) Engineering a homo-ethanol pathway in Escherichia coli: increased glycolytic flux and levels of expression of glycolytic genes during xylose fermentation. J Bacteriol 183(10): 2979-88. [12] Van der Rest ME, Lange C, Molenaar D (1999) A heat shock following electroporation induceshighly efficient transformation of Corynebacterium glutamicum with xenogeneic plasmid DNA.Appl Microbiol Biotechnol 52(4):541-545. [13] Wang C, Zhang HL, Cai H, Zhou ZH, Chen YL, Chen YL, Ouyang PK (2013) Succinic acid production from corn cob hydrolysates by genetically engineered Corynebacterium glutamicum. Appl Biochem Biotechnol DOI 10.1007/s12010-013-0539-x. [14] Zaldivar J, Nielsen J, Olsson L (2001) Fuel ethanol production from lignocellulose: a challenge for metabolic engineering and process integration. Appl Microbiol Biotechnol 56(1-2): 17-34. [15] 中国医药公司编写.试剂手册[M].上海：上海科学技术出版社，1985.1158-1159. [16] Ahmed I, Morris D.Replacing petrochemical with biochemicals [M], Washington DC: Institute for Local Self Reliance, 1994.2-5. [17] 魏文德.有机化工原料大全[M].北京:化学工业出版社,1989. [18] 司杭.化工产品手册[M].北京:化学工业出版社,1985. [19] 祁生鲁，贡长生.琥珀酸的开发与应用前景[J].化工时刊，1991(1):24-26.　　　 [20] Zeikus J G , Jaim M K , Elankovan P. Biotechnology of Succinic Acid Production and Market for Derived Industrial Products [J]. Appl Microbiol. Biotechnol, 1999,51:525～545. [21] Knowles CJ.Diversity of Bacterial Respiration Systems, Volume 2 [M].Boca Raton: CRC Press, 1980, pp.1941-1944.[22] Sridhar J, Eiteman MA.Metabolic flux analysis of Clostridium thermosuccinogenges [J].Appl Biochem and Biotechnol, 2000, 94:51-69. [23] Datta R, Glassner DA, Jain MK, et al.Fermentation and purification process for succinic acid [P]. US Patent, 5168055. 1992. [24] Anderson RL, Ordal EJ.CO2-dependent fermentation of glucose by Cytophaga succinicans [J]. J Bacterop, 1961, 81:139-146