基因组复制工程辅助的连续进化技术提高蓝细菌高pH耐受性的研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31770092
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    55.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C0104.微生物遗传与生物合成
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Cyanobacteria cell factories would face types of harsh environmental stress in large scale cultivation processes. To achieve stable and efficient photosynthetic production of biomass and bioproducts, physiological tolerances optimization of cyanobacteria chassis strain would be necessary. Physiological tolerances of microbial cells were complex phenotypes related with multiple targets, which were usually improved by evolutionary engineering strategies. Efficient optimization of cyanobacteria physiological tolerances called for development of novel evolutionary engineering technologies. In this project, we aimed to develop the Genome Replication Engineering Assisted Continuous Evolution (GREACE) technology in cyanobacteria to enable effective and continuous generation and isolation of evolved strains. Taking synthetic biology tools and strategies, a bistable control system holding mutation rates of genome replication would be developed to achieve artificially regulated hypermutable status in cyanobacteria chassis strain. Combined with continuous selective pressure, evolved strain with improved pH-tolerance would be generated and isolated through an in vivo mutagenesis process. Efficacy of the cyanobacteria GREACE technology would be confirmed and evaluated by high-pH tolerance engineering in cyanobacteria chassis strain. Based on the isolated strain with evolved high-pH tolerance, mechanisms for survival and adaptation of cyanobacteria in high-pH environments would be disclosed by comparative genomics, transcriptomics, and proteomics. In addition, the high-pH tolerant cyanobacteria strain obtained from GREACE would be engineered for ethanol photosynthetic production and evaluated in large scale cultivation systems. This project would provide an effective evolutionary engineering tool for engineering complex physiological tolerances traits in cyanobacteria, and get through the technological routes from physiological functionality optimization to large scale cultivation of cyanobacteria cell factories.
蓝细菌光合细胞工厂在规模化培养时会面临各种严苛的环境胁迫,为了保证生物量和代谢产品稳定、高效的合成和积累,需要对蓝细菌底盘藻株的生理耐受性进行优化。微生物细胞生理耐受性机制复杂、靶点众多,需要用进化工程策略进行改造,而蓝细菌缺乏高效的进化工程工具。本研究将在蓝细菌中开发基因组复制工程辅助的连续进化(GREACE)技术,以合成生物学手段实现对底盘藻株基因组复制过程保真/突变状态的双稳态控制,同时结合持续的筛选压力快速获取进化藻株。蓝细菌GREACE技术的效能将以底盘藻株高pH耐受性的改造来验证,在此基础上通过基因组、转录组和蛋白质组层面上的系统分析和比较,揭示蓝细菌对高pH条件的适应与耐受机制;本研究还将分析GREACE技术改造获得的高pH耐受型底盘藻株应用于乙醇光合细胞工厂构建和规模化培养时的表现与潜力,从而验证并打通光合微生物平台从改造生理功能到应用于规模化培养的技术路线。

结项摘要

蓝细菌光合细胞工厂在规模化培养时会面临各种严苛的环境胁迫,为了保证生物量和代谢产品稳定、高效的合成和积累,需要对蓝细菌底盘藻株的生理耐受性进行优化。微生物细胞生理耐受性机制复杂、靶点众多,需要用进化工程策略进行改造,而蓝细菌缺乏高效的进化工程工具。本研究核心研究任务为蓝细菌中基因组复制工程辅助的连续进化技术的开发以及通过其应用对蓝细菌逆境胁迫耐受能力的改造和机制研究。通过系统的基因挖掘和表达调控,获得了进行可控超突变的底盘细胞,基因组复制突变率提升了两个数量级;通过针对性的环境胁迫调控,实现了超突变状态的跃升,将突变率提高至野生型的8000倍;应用可控超突变变体系,成功筛选获得对高温高光、高pH等环境胁迫的耐受能力显著提升的聚球藻突变藻株,并对其机制进行解析,对其底盘进行了改造利用,获得新型光合细胞工厂。在本项目资助下,还针对合成生物技术优化蓝细菌光合生理和工程应用属性,提升光合生物制造技术应用潜力的技术发展情况进行系统总结,提出了新的观点和认识,在生物技术领域权威期刊上发表多篇高水平综述论文。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(1)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Rapidly Improving High Light and High Temperature Tolerances of Cyanobacterial Cell Factories Through the Convenient Introduction of an AtpA-C252F Mutation.
通过方便地引入 AtpA-C252F 突变,快速提高蓝藻细胞工厂的强光和高温耐受性。
  • DOI:
    10.3389/fmicb.2021.647164
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Frontiers in microbiology
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Zhang S;Zheng S;Sun J;Zeng X;Duan Y;Luan G;Lu X
  • 通讯作者:
    Lu X
Engineering a Controllable Targeted Protein Degradation System and a Derived OR-GATE-Type Inducible Gene Expression System in Synechococcus elongatus PCC 7942.
在细长聚球藻 PCC 7942 中设计可控的靶向蛋白质降解系统和衍生的 OR-GATE 型诱导基因表达系统。
  • DOI:
    10.1021/acssynbio.1c00226
  • 发表时间:
    2021-12
  • 期刊:
    ACS Synthetic Biology
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Zhang Mingyi;Luo Quan;Sun Huili;Fritze Jacques;Luan Guodong;Lu Xuefeng
  • 通讯作者:
    Lu Xuefeng
基于糖原代谢调控的蓝细菌光合细胞工厂优化研究进展
  • DOI:
    10.13345/j.cjb.210230
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    生物工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    郑思妮;孙绘梨;毛绍名;栾国栋;吕雪峰
  • 通讯作者:
    吕雪峰
蓝藻光驱固碳合成乙醇技术的发展回顾和未来展望
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    生物产业技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    栾国栋;吕雪峰
  • 通讯作者:
    吕雪峰
蓝细菌光驱固碳细胞工厂的合成生物学开发策略
  • DOI:
    10.13376/j.cbls/2019051
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    生命科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张杉杉;栾国栋;吕雪峰
  • 通讯作者:
    吕雪峰

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其他文献

蓝细菌乙醇光合细胞工厂的发展与展望
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    生物工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    齐允晶;王家林;栾国栋;谈晓明;吕雪峰
  • 通讯作者:
    吕雪峰

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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