高温厌氧菌Rx1的ldh、pta基因对乙醇代谢的调控机理
批准号:
21366015
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
50.0 万元
负责人:
伊日布斯
依托单位:
学科分类:
B0811.生物质转化与轻工制造
结题年份:
2017
批准年份:
2013
项目状态:
已结题
项目参与者:
严金平、杨恩、尚淑梅、邰宏博、唐丽薇、陈带娣、李卫娜、申冬玲
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中文摘要
利用高温菌进行纤维素乙醇发酵具有诸多潜在优势。当前提高厌氧菌乙醇产率的主要代谢工程策略是敲除乳酸脱氢酶(LDH)和磷酸乙酰转移酶(PTA)基因,阻断与乙醇代谢途径竞争碳源和还原力的乳酸和乙酸生成途径。但由于ldh和pta在高温厌氧菌中的生理功能及代谢调控机制尚不清楚,导致该策略的改进缺乏理论指导,工程菌的乙醇产量仍然很低。本项目以嗜热厌氧杆菌Rx1为出发菌株,单独或连续敲除ldh和pta基因,在关键酶的活性、基因表达和代谢通量水平上研究ldh和pta基因对糖酵解和乙醇发酵途径的代谢调控作用,再通过分析突变株细胞内NADH/NAD+、ATP/ADP比率与代谢调控作用的关系,进而阐明ldh和pta基因的代谢调控机理。本研究将有助于揭示代谢旁路的阻断对高温厌氧菌中心碳代谢产生的影响及其机理、阐明限制工程菌株乙醇产量的原因。可望为高温厌氧菌的代谢工程改造提供新的靶点和理论依据。
英文摘要
Ethanol fermentation by thermophilic anaerobic cellulolytic bacteria has many potential advantages. Blocking the byproducts metabolic pathway by gene knockout method is a main strategy for enhancing the ethanol yeild of anaerobic bacteria. However, the physiological function and metabolic regulation of relative genes remain unknown. Thus, we are lacking theoretical guidance to improve such strategy, and the alcohol production of engineering bacteria is still at a very low level. In this project, a newly isolated Thermoanerobacterium sp. Rx1 was employed as the original bacteria, with its lactate dehydrogenase gene (pta)and phosphate acetyl transferase gene (ldh) either individually or continuously knocked out. By this means, the metabolic pathway of the byproducts, namely, lactate and acetate, was blocked. The effects of target genes on growth were revealed by analyzing the carbon utilization rate, glycolysis and growth rate of the mutant strain. Next, the effects of gene knockout on the activity of key enzymes, their expression levels, the distribution of products and metabolic flux were then tested. We also analysis its relationship with intracellular oxidation-reduction levels (NADH/NAD). Therefore, the metabolism regulating effects and the mechanism for genes ldh and pta in thermophilic anaerobic bacteria were demonstrated. This project revealed the metabolic regulation mechanism of ldh and pta genes on the level of gene expression, protein and metabolism, and provided important theoretical basis for metabolic engineering modification of thermophilic anaerobic bacteria.
高温厌氧菌因其具有高效降解纤维素和(或)半纤维素等多糖的能力而被视为有潜力的生物乙醇发酵菌种。本项目以分离获得的嗜热厌氧菌Thermoanaerobictorium calidiforntis Rx1为出发菌株,成功敲除其乙酸生成途径的关键酶基因ack,并分析敲除后对突变株生长和中心碳代谢的影响。结果表明,突变菌株△ack相比于野生型生长速率减慢,细胞干重有所降低,但是对底物的消耗量却增加,且抑制了乙酸生成,显著提高乙醇和乳酸产量。通过分析ack基因对碳中心代谢关键酶活性、基因表达和代谢通量的影响,研究了ack基因对糖酵解和乙醇发酵途径的代谢调控作用,发现ack基因的敲除会导致Rx1菌株NADH脱氢酶基因(ndh)上调表达。就酶活水平而言,糖酵解途径的限速酶GK、POR和LDH的活性有所提高,PTA、ACK的活性显著降低。进一步通过分析突变株细胞内氧化还原水平(NADH/NAD+)和能荷水平(ATP/ADP)比率与代谢调控作用的关系,进而探索了ack基因的代谢调控机理。同时本研究还发现ack基因的敲除能够显著提高Rx1菌株乙醇耐受性的现象,而乙醇耐受性对于乙醇生产菌株而言是一个非常重要的指标,也是该领域的另一个研究焦点,该结果可为研究高温厌氧菌的乙醇耐受机制提供了重要线索。综合上述结果,本研究为揭示代谢旁路的阻断对高温厌氧菌中心碳代谢产生的影响及其机理、阐明限制工程菌株乙醇产量的原因奠定了坚实的工作基础。项目资助发表核心期刊论文1篇,申请专利2项,投稿中的SCI论文1篇。共培养博士生1名,硕士生3名,其中3名已经取得学位,1名硕士在读。项目投入经费50万元,支出30.0945万元,剩余19.9054万元,各项支出基本与预算相符,其中剩余经费计划用于本项目后续研究中支出。
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DOI:10.13523/j.cb.20150706
发表时间:2015-07
期刊:中国生物工程杂志
影响因子:--
作者:申冬玲;尚淑梅;李卫娜;严金平;伊日布斯
通讯作者:伊日布斯
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