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解淀粉芽孢杆菌2,3-丁二醇逆向转化3-羟基丁酮的代谢机制及调控研究
结题报告
批准号:
21276110
项目类别:
面上项目
资助金额:
78.0 万元
负责人:
饶志明
依托单位:
学科分类:
B0812.生物化工与合成生物工程
结题年份:
2016
批准年份:
2012
项目状态:
已结题
项目参与者:
徐美娟、杨套伟、张显、郭静、满在伟、邵明龙、孙红梅、李静静、贾明媚
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中文摘要
发酵法生产2,3-丁二醇和3-羟基丁酮是目前国内外食品与工业生物技术领域研究热点之一。课题组前期筛选获得一株环境安全高产2,3-丁二醇解淀粉芽孢杆菌,发现该菌发酵前期主要积累2,3-丁二醇,后期转变为积累前体物质3-羟基丁酮(World J Microbiol Biotechnol. 2011, 27:2785-2790)。为揭示发酵产物逆向转化现象,课题拟从微生物生理和代谢水平对可逆代谢机制进行深入研究,探索发酵过程理性调控策略。课题拟通过发酵各阶段氧化还原状态、细胞能荷水平等重要生理生化分析,以及代谢流和代谢关键酶分析,建立细胞各生理状态、细胞代谢网络与产物逆向转化过程的相互关系。在此基础上,采用生理调控手段和分子修饰手段,进行针对性产物代谢调控,并反馈产物逆向转化的形成机制。课题通过探索解淀粉芽孢杆菌产物可逆代谢的形成机制及其调控策略,将为微生物代谢工程的研究进一步开拓思路。
英文摘要
Nowadays, microbial production of 2,3-butanediol and 3-hydroxy-2-butanone is attracting more and more attentions due to that they have wide application in food and industrial biotechnology field. In our previous work, a GRAS strain Bacillus amyloliquefaciens B10-127, capable of producing 2,3-BD effectively, was isolated. When glucose was used as carbon source in fermentation, the fermentation characterizations of this strain were analyzed and a new phenomenon of reverse transforming 2,3-butanediol which was synthesized from glucose to acetoin was detected. Before 96 h, glucose which was mainly transformed to 2,3-butanediol and acetoin was totally consumed, while at the end of fermentation, the yield of acetoin was greatly improved but 2,3-butanediol was declined(World J Microbiol Biotechnol. 2011, 27:2785-2790). To reveal the new phenomenon of reverse transforming 2,3-butanediol to acetoin at the end of fermentation, we will investigate substrate consumption, productions biosynthesis, key enzyme characteristics, and the strain's key physiological features such as level of energy charge and oxidation-reduction state at different fermentation stages. Based on these properties, we will try to regulate specific metabolites synthetize through altering the key physiological features of cells and modifying key genes. Consequently, the expected results the metabolic regulation of the new phenomenon of reverse transformation would provide techniques and references for other microbial metabolic engineering research.
项目针对芽孢杆菌在发酵过程中存在3-羟基丁酮和2,3-丁二醇相互转化的现象在芽孢杆菌遗传表达体系改造、胞内代谢途径优化、辅因子再生等方面做了大量研究。得到如下结论:. (1)克隆并分析了代谢途径中辅酶依赖型3-羟基丁酮还原酶/2,3-丁二醇脱氢酶(AR/BDH),发现该酶氧化方向和还原方向的最适反应pH存在明显差异,氧化方向最适pH为8.5,还原方向最适pH为6.5,并由此推测出发酵过程中3-羟基丁酮和2,3-丁二醇相互转化是受到胞内pH和辅酶水平变化调控的。. (2)通过添加不同氧化还原态底物和利用基因工程手段降低胞内NADH水平并且调节胞内NADH/NADPH水平进而重新分配3-羟基丁酮与2,3-丁二醇比例。结果表明不同的氧化还原态底物能够有效地操纵胞内辅酶水平。. (3)首次研究了来源于芽孢杆菌的NADH氧化酶YDOC和芽孢杆菌适度表达型启动子PbdhA。将YODC在芽孢杆菌中进行适度表达会有效降低2,3-丁二醇和NADH依赖型副产物的合成。. (4)通过共表达AR/BDH和YODC构建NAD+辅酶再生系统,可有效降低胞内NADH浓度和NADH/NAD+比例,同时获得高产3-羟基丁酮的全细胞转化体系。 . 本研究解析了芽孢杆菌主要发酵产物3-羟基丁酮和2,3-丁二醇在胞内的可逆转化现象,并在此基础上利用代谢工程改造和辅因子工程分别获得高产3-羟基丁酮和2,3-丁二醇的菌株。项目资助期间,相关研究成果发表在Metabolic Engineering、Biotechnology for Biofuels、Appl Microbiol Biotechnol、Microbial Cell Factories、Amino Acids等期刊(共发表SCI 论文14篇,其中IF>6的论文2篇,6>IF>3的论文6篇,单篇SCI最高IF为8.2,累计SCI的IF>50),获授权中国发明专利5项,为工业化利用芽孢杆菌合成代谢产物提供借鉴。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.13523/j.cb.20160608
发表时间:2016-02
期刊:中国生物工程杂志
影响因子:--
作者:胡桂元;杨套伟;饶志明;刘梅;徐美娟;张显
通讯作者:张显
DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201512004
发表时间:2015
期刊:食品与发酵工业
影响因子:--
作者:张显;赵晓静;李欣;饶志明
通讯作者:饶志明
Fermentation of biodiesel-derived glycerol by Bacillus amyloliquefaciens: E?ects of co-substrates on 2,3-butanediol production
解淀粉芽孢杆菌发酵生物柴油衍生的甘油:共底物对 2,3-丁二醇生产的影响
DOI:--
发表时间:2013
期刊:Applied Microbiology and Biotechnology
影响因子:5
作者:Xian Zhang;Meijuan Xu;Zhenghong Xu;Shangtian Yang
通讯作者:Shangtian Yang
Regulation of the NADH pool and NADH/NADPH ratio redistributes acetoin and 2,3-butanediol proportion in Bacillus subtilis
NADH 库和 NADH/NADPH 比例的调节可重新分配枯草芽孢杆菌中的乙偶姻和 2,3-丁二醇比例
DOI:10.1002/biot.201400577
发表时间:2015-08-01
期刊:BIOTECHNOLOGY JOURNAL
影响因子:4.7
作者:Bao, Teng;Zhang, Xian;Yang, Shangtian
通讯作者:Yang, Shangtian
wo-stage pH Control Strategy Based on The pH Preference of Acetoin Reductase Regulates Acetoin and 2,3-butanediol Distribution in Bacillus subtilis
基于乙偶姻还原酶pH偏好的两阶段pH控制策略调节乙偶姻和2,3-丁二醇在枯草芽孢杆菌中的分布
DOI:--
发表时间:2014
期刊:PLos One
影响因子:3.7
作者:Taowei Yang;Zhenghong Xu;Shangtian Yang;Huazhong Li
通讯作者:Huazhong Li
大肠杆菌DNA聚合酶III突变体DnaEI171L抑制噬菌体复制的分子机制解析及抗噬菌体底盘细胞构建
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    58万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    饶志明
  • 依托单位:
LysR家族转录因子LrpG影响温度调控粘质沙雷氏菌合成灵菌红素的分子机理研究
  • 批准号:
    31870066
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    59.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    饶志明
  • 依托单位:
基于组合生物学强化Mycobacterium neoaurum降解植物甾醇侧链的代谢改造
  • 批准号:
    31570085
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    饶志明
  • 依托单位:
产甘油假丝酵母甘油合成关键酶催化机理及其受高渗透压诱导分子机制研究
  • 批准号:
    30970056
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    35.0万元
  • 批准年份:
    2009
  • 负责人:
    饶志明
  • 依托单位:
一步法高产1,3丙二醇产甘油假丝酵母工程菌的构建
  • 批准号:
    20676053
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2006
  • 负责人:
    饶志明
  • 依托单位:
应用耐高渗酵母过量合成甘油基因培育高抗非生物逆境植物
  • 批准号:
    30570142
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    28.0万元
  • 批准年份:
    2005
  • 负责人:
    饶志明
  • 依托单位:
应用耐高渗酵母过量合成甘油基因培育高抗非生物逆境植物
  • 批准号:
    30300027
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    7.0万元
  • 批准年份:
    2003
  • 负责人:
    饶志明
  • 依托单位:
国内基金
海外基金