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杨晟研究组建立偏利共生人工双梭菌系统用于转化玉米芯产溶剂

      10月27日,Metabolic Engineering在线发表了中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所杨晟研究组题为“Enhanced solvent production by metabolic engineering of a twin-clostridial consortium”的研究论文。

      微生物普遍以多细胞体系存在于自然界,99%的微生物不可纯培养。利用广泛分布于自然界的微生物多细胞体系为人类生产生活服务,是一种低成本、高效益的经济模式,因此已经在医药、食品酿造、环境保护、能源资源等领域得到广泛应用,同时我们也在根据需求不断创造新的多细胞体系实现新的功能。

      嗜纤梭菌能将经预处理的生物质降解为葡萄糖和木糖,并利用其中的葡萄糖产丁酸等。拜氏梭菌则能同时利用葡萄糖和木糖,并转化丁酸产丁醇。在碱处理玉米芯培养基中,前者为后者提供生长必需的碳源,后者则通过将乙酸和丁酸转化为乙醇、丙酮、丁醇这3种溶剂,稳定了环境pH,使得前者能更好地生长,两种梭菌应该形成了偏利共生关系。但该人工双梭菌系统转化玉米芯为溶剂,与拜氏梭菌单独转化糖为溶剂相比,前者溶剂终浓度不到后者三分之一,说明尚存在转化瓶颈。

      闻志强博士后等人员基于TargeTron和CRISPR/Cas两种技术建立了这两种梭菌的基因中断和敲低方法,将该人工菌群分产酸、酸回用、木糖利用和还原力供应4个模块进行代谢工程改造。项目组第一步中断了嗜纤梭菌的乙酸激酶和乳酸脱氢酶并过表达丁酸激酶,将代谢流推向丁酸;第二步用CRISPRi敲低了嗜纤梭菌的氢酶转录,以减少释放氢气损失的还原力,用于产醇;第三步过表达拜氏梭菌的辅酶A转移酶加强丁酸回用;第四步中断拜氏梭菌的木糖阻遏子和过表达木糖转运体增强木糖内运和代谢。这四步改造将人工双梭菌转化玉米芯产溶剂的速度大为提升,通过补加玉米芯的方法,可将溶剂终浓度提升到22g/L,达到用玉米糖培养基同样的水平,为降低利用废弃农林生物质产溶剂和丁醇的生产成本提供了一条新途径。

      该研究受到973项目“微生物多细胞体系的设计与合成”(2014CB745100)的支持,项目由天津大学、中国科学院上海生命科学研究院、北京化工大学、江南大学共同承担。项目主要针对合成微生物多细胞体系的设计、构建与适配调控机制等关键问题,从多细胞体系的设计与功能再造、细胞间信息互作的调控、细胞间物质流和能量流的优化等方面开展研究,实现高效、稳定、可控的微生物多细胞体系的构建与调控的重大突破。



图1: 双梭菌共生系统的多变量模块化代谢工程(MMME)直接从农业废物(AECC)生产溶剂。



图2:模块逐级叠加促进溶剂产量阶梯式提升 。

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