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我校在Biotechnology Advances发表琥珀酸生物制造研究进展

文章出处:生物工程与食品 学院  作者:发酵工程教育部重点实验室  发布时间:2017-12-07

近日,发酵工程教育部重点实验室(湖北工业大学)汤亚杰课题组应邀在生物工程领域国际顶级学术期刊《Biotechnology Advances(影响因子为10.597)发表了琥珀酸生物制造研究进展。基于琥珀酸生物制造的重大意义,该论文系统阐述了琥珀酸生物制造研究进展,对未来研究趋势进行了展望。据悉,《Biotechnology Advances》是Elsevier Science出版社旗下的综述性期刊,专注于生物技术领域的研究,在Biotechnology & Applied Microbiology同类期刊中影响因子排名第5位,排在Nature reviews. Drug discovery (影响因子57.000)Nature biotechnology (影响因子41.667)Genome research (影响因子11.922)Trends in Biotechnology (影响因子11.126)之后。

作为一种重要的四碳平台化合物,琥珀酸是生产众多表面活性剂、食品添加剂、药物中间体的原料,在化工、食品、医药等行业得到广泛应用,因此美国能源部将其列为 12 种最具潜力的大宗生物基化学品之首。琥珀酸可以通过传统的石油化工法和日益兴起的微生物发酵法合成,前者以不可再生的战略资源石油产品作为原料,原料供给不可持续、生产过程环境污染严重,影响了琥珀酸的发展。面对日益枯竭的化石资源和其所产生的严重环境污染, 为了经济和社会的可持续发展, 必须以可再生的生物质资源替代不可再生的石化资源, 以清洁高效的生物炼制加工方式替代污染低效的石油化工技术路线, 即利用微生物发酵生产琥珀酸, 实现资源利用和物质加工方式的根本改变, 从而推动生物基琥珀酸的大规模生产。同时,利用琥珀酸发酵过程耗CO2这一特性, 促进CO2减排, 缓解温室效应。

汤亚杰课题组长期从事琥珀酸生物制造领域的研究工作,通过系统解析琥珀酸生物合成代谢网络,提出了削弱副产物合成途径和激活琥珀酸合成途径的新策略,建立了代谢网络全局调控策略,显著提升了微生物合成琥珀酸的能力。相关研究成果先后获得2016年湖北省自然科学一等奖、2014年湖北省科技进步一等奖。

在中心碳代谢网络中,副产物合成与目标产物合成互为竞争。因此,在不影响细胞正常生长的前提下,通过阻断或者降低副产物合成途径的碳代谢流,可以使更多代谢流流向目标产物合成途径,从而促进目标产物积累。基于这一理念,课题组在大肠杆菌生物合成琥珀酸的研究中,通过敲除琥珀酸竞争途径中的关键酶基因ldhA(乳酸脱氢酶)ptsG(葡萄糖磷酸转移酶)ackA-pta(乙酸激酶-磷酸转乙酰酶),降低了流向杂酸的代谢流,副产物合成代谢通量由72.2%降低至21.5%。同时发现了代谢流重排后,在不涉及乙醛酸支路基因改造的情况下激活了乙醛酸支路,从而大幅度提高了琥珀酸产量与产率,琥珀酸合成代谢通量由5.6%上升至43.9%(发表论文Metab Eng 2013, 20:9-19)

CO2作为琥珀酸生物合成的必需底物,是决定琥珀酸合成效率的关键因素。CO2被细胞所利用需要经过两个过程——从胞外到胞内的转运过程和进入胞内代谢的固定过程,发酵液中的CO2只能通过被动扩散方式被菌体摄取,导致胞内进行CO2固定反应的量不足,限制了琥珀酸合成。课题组通过在大肠杆菌中表达蓝藻的CO2转运蛋白,使大肠杆菌实现对CO2的主动运输,转运通量提高了1.4倍,解除了底物不足对琥珀酸合成的限制(发表论文ScientificReports2015, 5:17321)。在此基础上,过量表达了CO2固定功能基因,建立了CO2转运与固定的协同表达体系。为了更好地调控多个外源基因表达,进一步通过能量矩阵构建了启动子文库,利用文库对外源CO2转运与固定基因的表达进行精细调控,并对相关CO2代谢途径进行了组合调节,实现了协同表达体系的优化及代谢平衡,琥珀酸产量比出发菌株提高了37.5% (发表论文Biotechnology andBioengineering2016, 113:1531-1541)

微生物特定表型往往由多个基因共同调控,而且代谢网络具有鲁棒性,因此仅对个别基因或个别代谢途径进行操作难以达到预期效果。据此,课题组通过研究大肠杆菌全局转录因子Cra这一转录核心元件,发现Cra与其效应物FBP(果糖-1,6-二磷酸)之间的亲和力有助于促进琥珀酸合成,亲和力越大即产量越大。因而通过定点突变,使Cra蛋白调控域上发生3个位点突变,增强了其与FBP的结合力,从而进一步激活了CO2固定基因pck和乙醛酸支路的苹果酸合成酶编码基因aceB的表达,并最终促进了琥珀酸的合成(发表论文Biotechnology for Biofuels 2016, 9:624)

基于上述研究进展,汤亚杰教授多次受邀在中国科学院“代谢科学”科学与技术前沿论坛、中国生物工程学会、中国微生物学会、中国化学生物学、中国化工学会等全国性学会上作邀请报告。

附:第一作者简介

   朱丽雯女,1984年出生,高级实验师。2006年于湖北工业大学获生物工程学士学位,2009年于湖北工业大学获发酵工程硕士学位,师从汤亚杰教授。2017年于武汉大学获博士学位。2009至今于湖北工业大学发酵工程教育部重点实验室从事琥珀酸生物制造研究。近5年来以第一或共同第一作者在国际知名学术期刊Metabolic Engineering (IF=8.142)Biotechnology and Bioengineering (IF=4.481)Biotechnologyfor Biofuels (IF=5.203)等发表SCI论文8篇;授权中国发明专利1项;获湖北省自然科学一等奖、湖北省科技进步一等奖、湖北省自然科学二等奖各1主持国家自然科学基金大肠杆菌全局转录因子Cra对琥珀酸生物合成过程中CO2固定基因的调控机制(21506049)