优化改进后的化学定义培养基，以实现大肠杆菌中葡萄糖激酶的高效表达

时间：2026年5月24日

来源：Microbial Cell Factories

编辑推荐：

摘要背景重组葡萄糖激酶（GLK）是一种用于血糖诊断的重要酶，通常在大肠杆菌（E.coli）中制备，用于实验室研究和相关的生物合成应用。在小规模实验室培养中，由于复杂培养基的便利性和强大的生长支持能力，人们经常使用这些培养基。然而，其成分不明确以及批次间的变异性可能会影响实验的可重

摘要

背景

重组葡萄糖激酶（GLK）是一种用于血糖诊断的重要酶，通常在大肠杆菌（E.coli）中制备，用于实验室研究和相关的生物合成应用。在小规模实验室培养中，由于复杂培养基的便利性和强大的生长支持能力，人们经常使用这些培养基。然而，其成分不明确以及批次间的变异性可能会影响实验的可重复性，并增加与培养基相关的成本。尽管在可扩展的大肠杆菌生物过程中，通常更倾向于使用最小化定义培养基（例如M9培养基），因为它们成分一致且过程可控，但其相对简单的营养成分可能会限制重组蛋白在实验室条件下的表达效率。因此，开发一种改进的化学定义培养基是一种实用策略，可以在表达效率、成分控制和培养基成本之间取得平衡，以用于重组GLK的生产。

结果

为了解决这个问题，我们开发了一种包含氨基酸的化学定义培养基，并使用了高通量呼吸活性监测系统（RAMOS）和高通量生长曲线分析系统（Growth Profiler 960, GP960），以及一个基于机器学习的迭代优化系统（Machine-learning guided Experimental Trials for Improvement of Systems, METIS）。与优化前的培养基相比，优化后的培养基使可溶性GLK的表达量提高了33倍，达到了复杂培养基中表达量的74%，同时将培养基成本降低了74%。此外，每个细胞的可溶性蛋白表达量增加了80%，从而使每单位细菌蛋白的培养基使用成本降低了85%。在7.5升生物反应器中的验证表明，优化后的培养基支持细胞持续生长至600纳米处的光密度（OD₆₀₀）为103，其生物量分别比Luria-Bertina（LB）和M9培养基高出4倍和5.4倍，可溶性GLK的滴度达到了920毫克/升（mg L⁻¹），超过了传统培养基10倍以上。