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甲基微菌基因组定向进化与异源基因组装转化甲醇成丁二烯的研究
结题报告
批准号:
U1462109
项目类别:
联合基金项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
杨松
依托单位:
学科分类:
B08.化学工程与工业化学
结题年份:
2017
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
王光远、刘琳、崔金玉、杨益明、姚陆、徐晓燕、张雨森、张晓迪
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中文摘要
丁二烯产量和工艺路线受到石油资源瓶颈和污染环境的限制,以可再生资源C1(甲醇或甲烷)为中心的生物基路线是清洁和可持续生产的创新替代策略,然而目前微生物同化C1效率低,制约目的代谢途径产率。提高C1催化转化就要解决两个核心问题:(1)一碳中间代谢物(甲酸和甲醛)胞内低效同化传递;(2)同化一碳的有效利用。为此本项目提出以甲醇为出发底物,以前期研究的具有工业价值的甲基微菌Methylomicrobium alcaliphilum 20Z为底盘,以合成丁二烯为目标,通过基因组定向进化重构一碳中间代谢物的组合同化传递区域,最少化二氧化碳生成,提高乙酰辅酶A合成以匹配丁二烯合成通量需求;同时途径工程组装丁二烯合成途径,精细调控启动子强度和核糖体结合位点等基因元器件,将高效同化一碳有效导入丁二烯合成。本项目提出丁二烯高效清洁生产的创新技术,同时延伸和增值甲醇工业的产业链,拓展石化产品绿色生产新方向。
英文摘要
Butadiene is an important petrochemical and the production is limited due to fossil resources and industry effect on environment. Renewable C1 resources (i.e. methanol or methane) have great potential for development of green technology platform for butadiene by bacteria. However, the current low efficiency of C1 assimilation of microbial biocatalysis restricts the yield and titer of butadiene. The approach to increase C1 biocatalysis efficiency is to solve the essential problems of (1) low efficiency of one-carbon intermediates assimilation and (2) Utilization of the assimilated carbons in a high yield butadiene production. To this end, we propose to engineer a previously studied gammaproteobacterial Methylomicrobium alcaliphilum 20Z to biocatalyze methanol conversion to butadiene. The methodologies of directed evolution of genome with a high throughput screening will be carried out to construct an efficient combination assimilation pathway of one carbon. This will enhance the flux into the precursor metabolite of acetyl-CoA for butadiene synthesis and in addition minimize the release of greenhouse gas, CO2. Next, the heterologous pathway of butadiene will be assembled and genetic regulatory elements including promoters and ribosome binding site (RBS) will be optimized for maximum flux from acetyl-CoA to butadiene. This proposal provides a novel biotechnology and ideas in engineered bacteria for highly efficient methane-to-butadiene conversion. The proposed strategies will allow the industry to utilize methanol which is currently produced in excess capacity in China. Ultimately, the technologies provide the new and green direction of the petrochemicals production.
甲醇高值化转化是当前生物化工的重要研究热点,本课题以甲醇作为出发底物,以前期研究的具有高工业价值的甲基微菌为底盘,以丁二烯和正丁醇等高值产品合成为目标,主要研究: (1) 利用体外酶重组表达、筛选、酶定向进化和一锅反应体系优化,创新构建出从巴豆酰辅酶A到丁二烯的生物合成途径,该合成途径在自然界中未曾发现且未曾有文献报道,其中优化后巴豆醇到巴豆醇焦磷酸酯的转化率达到63.2%;(2)甲基微菌中重构从巴豆酰辅酶A到正丁醇合成途径,通过基因元器件优化和基因组上基因优化表达,同时利用选择压力适应性进化策略并结合同化途径重构,筛选得到利用甲醇效率更高、生长更佳和耐受性更强的进化甲基微菌,摇瓶下正丁醇产量是出发菌株的13倍多,达到25.5 mg/L,为后续基因组编辑改造提供重要研究靶点;(3)通过对基因组上关键同化途径基因ecm改造,解析了合成丁二烯和正丁醇的上游模块EMC途径的代谢调控机制,为提高丁二烯和正丁醇等合成得率提供重要基础知识;(4)利用启动子工程和调控异源基因拷贝数等策略,甲基微菌能够将甲醇催化转化成3-羟基丙酸,摇瓶培养下产量提高到91.0 mg/L,同时阐明甲基微菌利用C3作为碳源的代谢途径机制,丰富甲基微菌代谢网络结构,为代谢工程改造甲基微菌将甲醇转化成C3化学品提供了重要分子水平调控信息。通过上述研究构建出丁二烯等高值产品清洁生产的甲基生物合成路线,未来有望延伸和增值甲醇工业的产业链和拓展石化产品绿色生产新方向,项目研制的工程菌未来也可发展为甲烷为核心绿色催化转化细胞工厂。项目执行期内中,在本领域高水平刊物Biotechnology for Biofuels和Microbial Cell Factories分别发表论文1篇;在Frontiers in Microbiology,Scientific Reports, PLOS One分别发表论文1篇,在《生物加工过程》发表综述论文1篇,另有1篇SCI论文在投;申请国家发明专利1项;培养硕士研究生8名、青年教师3名。
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
Production of 3-hydroxypropionic acid in engineered Methylobacterium extorquens AM1 and its reassimilation through a reductive route.
工程化的扭扭甲基杆菌 AM1 中 3-羟基丙酸的生产及其通过还原途径的再同化。
DOI:10.1186/s12934-017-0798-2
发表时间:2017-10-30
期刊:Microbial cell factories
影响因子:6.4
作者:Yang YM;Chen WJ;Yang J;Zhou YM;Hu B;Zhang M;Zhu LP;Wang GY;Yang S
通讯作者:Yang S
DOI:10.3389/fmicb.2017.02647
发表时间:2017
期刊:Frontiers in microbiology
影响因子:5.2
作者:Xu XY;Shen XT;Yuan XJ;Zhou YM;Fan H;Zhu LP;Du FY;Sadilek M;Yang J;Qiao B;Yang S
通讯作者:Yang S
Discovery of novel xylosides in co-culture of basidiomycetes Trametes versicolor and Ganoderma applanatum by integrated metabolomics and bioinformatics.
综合代谢组学和生物信息学在担子菌、栓菌和扁平灵芝共培养中发现新型木糖苷
DOI:10.1038/srep33237
发表时间:2016-09-12
期刊:Scientific reports
影响因子:4.6
作者:Yao L;Zhu LP;Xu XY;Tan LL;Sadilek M;Fan H;Hu B;Shen XT;Yang J;Qiao B;Yang S
通讯作者:Yang S
Metabolomics revealed apotential mechanism of the growth defect of overexpressing ecm gene in Methylobacterium extorquens AM1
代谢组学揭示扭伤甲基杆菌AM1过度表达ecm基因生长缺陷的潜在机制
DOI:--
发表时间:2016
期刊:PLos One
影响因子:3.7
作者:Jin-Yu Cui;Nathan M. Good;Bo Hu;Jing Yang;Qianwen Wang;Martin Sadilek;Song Yang
通讯作者:Song Yang
DOI:--
发表时间:2016
期刊:Biotechnology for Biofuels
影响因子:6.3
作者:Bo Hu;Yi-Ming Yang;David A. Beck;Qian‑Wen Wang;Wen‑Jing Chen;Jing Yang;Mary E. Lidstrom;Song Yang
通讯作者:Song Yang
甲基杆菌天然色素蛋白复合体的重塑及甲醇微氧发酵转化
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    杨松
  • 依托单位:
甲基杆菌异源一碳协作同化通道的构建及其强化甲醇转化
  • 批准号:
    21776149
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    64.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    杨松
  • 依托单位:
国内基金
海外基金