组合调控解淀粉芽孢杆菌胞内辅因子NADH/NAD+强化2,3-丁二醇生物合成的分子机制

批准号:
31400082
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
杨套伟
依托单位:
学科分类:
C2102.合成生物学与生物改造技术
结题年份:
2017
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
郭静、满在伟、邵明龙、包腾、程毅鹏、龙水清
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中文摘要
2,3-丁二醇是一种重要的四碳平台化合物,被广泛应用于化工、食品、医药、燃料及航空航天等多个领域。微生物法生产2,3-丁二醇已成为国内研究的热点之一。2,3-丁二醇高产菌株为克雷伯氏菌属和沙雷氏菌属,但这些菌具有潜在的致病性, 难以符合生物技术产业化安全生产的要求。本项目以安全菌株解淀粉芽孢杆菌为生产2,3-丁二醇的出发菌,但该菌株在发酵过程中会有一定量的2,3-丁二醇前体物质乙偶姻等副产物的积累。而影响乙偶姻向2,3-丁二醇转化的重要因素是辅因子NADH水平和NADH/NAD+再生效率。因此,针对前体物质乙偶姻过量积累的现象,解析解淀粉芽孢杆菌产物积累和辅因子代谢的相互关系。在此基础上,通过理性设计、定点改造、基因敲除等手段进行与辅因子再生相关的关键酶的分子改造,提出通过组合调控解淀粉芽孢杆菌胞内辅因子NADH/NAD+强化2,3-丁二醇合成和抑制前体物质乙偶姻积累的策略,并构建高产和单
英文摘要
Interest in this bioprocess has increased remarkably because 2,3-butanediol (2,3-BD) has a large number of industrial applications, and microbial production will alleviate the dependence on oil supply for the production of platform chemicals. Additionally, 2,3-BD has potential applications in the manufacture of printing inks, perfumes, fumigants, moistening and softening agents, explosives, plasticizers, foods, and pharmaceuticals. So far, absolutely unbeatable in efficient production of 2,3-BD are Klebsiella and Serratia marcescens. It is important to note that mainly class 2 (pathogenic) microorganisms are employed in the 2,3-BD fermentation. Industrial-scale fermentation requires obeying safety regulations, which implies that class 2 microorganisms are unwanted in such applications. In our previous study, a class 1 (safe) strain of Bacillus amyloliquefaciens producing 2,3-BD designated as B10-127 was isolated in our lab. However, B. amyloliquefaciens fermentation yields large quantities of acetoin, lactate and succinate as by-products, and the 2,3-BD yield remains prohibitively low for commercial production. Low levels of NADH may limit the BDH reaction, since this coenzyme is preferentially used in 2,3-BD synthesis. Based on this perspective, we designed a combinatorial regulation of cofactor engineering for effective improvement of 2,3-BD production while inhibiting the accumulation of unwanted by-products.
生物能源作为可再生能源,有望减少能源供给对石油的依赖程度。2,3-丁二醇作为一种重要的生物基四碳平台化合物,广泛应用于化工、能源、燃料等多个领域。课题针对解淀粉芽孢杆菌发酵过程中2,3-丁二醇前体物质乙偶姻过量积累的现象,通过组合调控胞内辅因子NADH/NAD+的策略,就如何减少副产物乙偶姻的积累和提高2,3-丁二醇产量的分子机制进行深入研究。具体结论如下:.(1)通过添加不同氧化还原态态底物、引入甲酸/甲酸脱氢酶NADH再生体系和敲除NADH氧化酶基因,可以调控芽孢杆菌胞内辅因子的种类和水平,从而可使芽孢杆菌选择性的积累乙偶姻或2,3-丁二醇。.(2)通过过量共表达芽孢杆菌的NAD+依赖型的3-磷酸甘油醛脱氢酶和NADH依赖型2,3-丁二醇脱氢酶,强化了辅酶NAD+/NADH循环再生效率,成功的提高了发酵液中2,3-丁二醇的产量和生产强度,显著降低了乙偶姻等副产物积累。.(3)通过适度表达2,3-丁二醇合成支路中关键酶α-乙酰乳酸合成酶和α-乙酰乳酸合成酶调控因子ALsR,增强了从丙酮酸到2,3-丁二醇合成途径的代谢流通量;阻断磷酸戊糖途径(PPP)中的关键酶葡糖糖-6-磷酸脱氢酶,使代谢更多地流向EMP途径,同时增强胞内的NADH的水平,进一步提高2,3-BD的产量。.本研究通过组合调控芽孢杆菌胞内辅因子NADH/NAD+调控策略,成功解析了强化2,3-丁二醇生物合成的分子机制,为芽孢杆菌胞内辅因子调控策略提供借鉴。在项目资助期间,在Critical Reviews in Biotechnology, Biotechnology Biofuels, Microbial Cell Factories等期刊发表与本项目相关的论文6篇,其中SCI论文5篇(IF>5的2篇,IF>3的4篇);申请相关专利10项,其中申请国际专利1项,授权专利3项。通过发酵工艺控制优化,2,3-丁二醇产量处于国际先进水平。
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
Economic conversion of spirit-based distillers’ grain to 2,3-butanediol by Bacillus amyloliquefaciens
利用解淀粉芽孢杆菌将酒精酒糟经济转化为 2,3-丁二醇
DOI:10.1016/j.procbio.2014.11.006
发表时间:2015
期刊:Process Biochemistry
影响因子:4.4
作者:Yang Taowei;Rao Zhiming;Zhang Xian;Xu Meijuan;Xu Zhenghong;Yang Shang-Tian
通讯作者:Yang Shang-Tian
Metabolic engineering of Bacillus subtilis for redistributing the carbon flux to 2,3-butanediol by manipulating NADH levels.
枯草芽孢杆菌的代谢工程通过操纵 NADH 水平将碳通量重新分配给 2,3-丁二醇
DOI:10.1186/s13068-015-0320-1
发表时间:2015
期刊:Biotechnology for biofuels
影响因子:6.3
作者:Yang T;Rao Z;Hu G;Zhang X;Liu M;Dai Y;Xu M;Xu Z;Yang ST
通讯作者:Yang ST
DOI:http://dx.doi.org/10.1080/07388551.2017.1299680
发表时间:2017
期刊:Critical Reviews in Biotechnology
影响因子:--
作者:Yang Taowei;Rao Zhiming;Zhang Xian;Xu Meijuan;Xu Zhenghong;Yang Shang-Tian
通讯作者:Yang Shang-Tian
Enhanced 2,3-butanediol production from biodiesel-derived glycerol by engineering of cofactor regeneration and manipulating carbon flux in Bacillus amyloliquefaciens.
通过辅因子再生工程和控制解淀粉芽孢杆菌中的碳通量提高生物柴油衍生甘油的 2,3-丁二醇产量
DOI:10.1186/s12934-015-0317-2
发表时间:2015-08-22
期刊:Microbial cell factories
影响因子:6.4
作者:Yang T;Rao Z;Zhang X;Xu M;Xu Z;Yang ST
通讯作者:Yang ST
Cpx双组分系统响应温度变化调控灵菌红素合成的分子机制研究
- 批准号:32370040
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:50万元
- 批准年份:2023
- 负责人:杨套伟
- 依托单位:
通过重构胞内氧化还原反应平衡路径选择性强化乙偶姻和2,3-丁二醇合成效率的分子机制
- 批准号:21778024
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:65.0万元
- 批准年份:2017
- 负责人:杨套伟
- 依托单位:
国内基金
海外基金
