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

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21776149
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    64.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0812.生物化工与合成生物工程
  • 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

Currently, the bioconversion of methanol to high value-added products is an important hot topic in the field of biochemical engineering. However, the current low efficiency of C1 assimilation and poor matching of methanol oxidation result in the release of large amount of carbon dioxide from bacterial cells and an obvious loss of reducing power. The approach to increase the flux of C1 assimilation and then to pull one carbon metabolism balance to downstream pathway is important to solve the essential problem. To this end, we propose to engineer a previously studied methylotrophic bacteria of Methylobacterium extorquens to biocatalyze methanol conversion to 1-butanol. The methodologies of rational engineering with adaptive evolution will be carried out to construct an efficiently heterologous and synergic assimilation channel of one carbon. The synergic channel combining a PPi dependent ribulose monophosphate pathway and methanol formolase pathway will enhance the flux of C1 assimilation and closely couple to methanol oxidative pathway, then decrease the release of greenhouse gas, CO2. Moreover, Mu transposable phage will be carried out to controllably integrate the constructed channel into genome of Methylobacterium extorquens, which will further increase the stability of one carbon assimilation. Next, the biosensor will be engineered to sense the 1-butanol and to regulate the distribution of assimilated flux for increasing the titer of 1-butanol. This proposal provides a synergic assimilation channel to highly enhance carbon conversion rate and reducing power efficiency. The proposed new strategies will allow the chassis cells to utilize methanol more efficiently. Ultimately, the technologies provide the new and green biocatalytic direction of high value-added products based on the C1 methanol or methane.
甲醇高值化转化是当前生物化工的重要研究热点,但因甲醇生物催化过程一碳中间物(甲醛或甲酸)低效同化和甲醇高效氧化不匹配,仍然面临大量二氧化碳外排及还原力损耗的巨大挑战。提高甲醇转化率要解决如何扩大同化代谢流,拉动一碳代谢平衡向下游途径转移的核心问题。本项目以甲基杆菌为底盘宿主,以其同化甲醇合成丁醇为对象,提出构建异源一碳协作同化通道的策略,尝试通过理性改造与适应性进化将焦磷酸依赖核酮糖单磷酸途径和甲醛聚合途径组合为相互协作的同化模块,扩大同化通量和还原力供给,严密耦合氧化过程,降低二氧化碳足迹,并利用Mu噬菌体转座技术将重构通道有效可控插入基因组,提高同化稳定性;然后借助生物传感器感应丁醇,调控同化下游代谢流的分配,提高丁醇产量。本项目构建的同化通道协作分工、双管齐下提高碳效率与还原力供给,为甲醇高值转化提供新的思路,为甲醇/甲烷为碳同化中心的绿色生物催化开拓新的策略。

结项摘要

甲醇高值化转化是当前生物化工的重要研究热点。甲基杆菌是以甲醇作为唯一碳源和能源生长的甲基细胞工厂,但因其利用丝氨酸循环同化甲醇过程中存在代谢步骤多、高耗能、高耗还原力和大量碳外排等的限制,不利于高还原度化学品的有效合成。为了扩大甲醇同化代谢流,拉动碳一代谢平衡向下游途径转移,本项目以甲基杆菌模式菌---扭脱甲基杆菌作为细胞底盘,以其同化甲醇转化成还原度产品3-羟基丙酸及已丁醇为对象,首先基于基因组尺度模拟计算,整合缺陷型突变菌快速筛选技术、途径设计与基因元件优化、转录物及代谢组分析等代谢工程策略,构建了核酮糖单磷酸途径(RuMP pathway)和丝氨酸循环途径(Serine Cycle)组合的高效碳一协同同化途径,获得重塑甲醇同化代谢底盘的甲基细胞工厂,生长速率提高16%,达到0.134 h-1,构建了3-羟基丙酸生产菌在摇瓶下产量提高到90 mg/L,优化的两阶段发酵条件下3-羟基丙酸产量达3.7 g/L;为了进一步解决还原力不足的问题,在动态梯度连续降低甲醇浓度的同时连续升高甲酸浓度的适应性进化过程中筛选获得一株兼顾甲酸耐受和高效利用的进化菌,在高浓度甲酸盐作为碳源培养条件下可以生长,且在甲醇上生长速率达到0.175 h-1,在甲酸和甲醇作为混合碳源下摇瓶下3-羟基丙酸产量提高到175 mg/L;基于此,我们利用基因元件优化、代谢组分析、竞争通路阻断和限速途径强化等策略,在扭脱甲基杆菌中建立了催化甲醇转化成异丁醇的甲基工程菌;此外为了从mRNA和蛋白质两个层面动态调控基因表达水平,提高甲基细胞工厂合成目标化学品的能力,我们首次建立了CRISPRi和small RNA技术,并成功应用于类胡萝卜素合成途径调控和高通量快速挖掘类胡萝卜素合成的未知功能基因。本项目实施期间的研究成果在代谢工程主流刊物(Metabolic Engineering、Applied and Environmental Microbiology、Applied Microbiology and Biotechnology和Biotechnology Journal)发表论文4篇,一般SCI期刊论文3 篇;申请国家发明专利 2件;培养硕士研究生 9 名、青年教师4名。本项目实施为甲醇高值绿色转化提供新的思路,为甲醇/甲烷为碳同化中心的绿色生物催化开拓新的策略。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
Unusual and Highly Bioactive Sesterterpenes Synthesized by Pleurotus ostreatus during Coculture with Trametes robiniophila Murr
平菇与栓菌共培养期间合成的异常且高生物活性的二萜
  • DOI:
    10.1128/aem.00293-19
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Applied and Environmental Microbiology
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    Xiao-Ting Shen;Xu-Hua Mo;Li-Ping Zhu;Ling-Ling Tan;Feng-Yu Du;Qian-Wen Wang;Yuan-Ming Zhou;Xiao-Jie Yuan;Bin Qiao;Song Yang
  • 通讯作者:
    Song Yang
Potentials, Utilization, and Bioengineering of Plant Growth-Promoting Methylobacterium for Sustainable Agriculture
促进植物生长的甲基杆菌在可持续农业中的潜力、利用和生物工程
  • DOI:
    10.3390/su13073941
  • 发表时间:
    2021-04-01
  • 期刊:
    SUSTAINABILITY
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Zhang, Cong;Wang, Meng-Ying;Yang, Song
  • 通讯作者:
    Yang, Song
Rewiring the native methanol assimilation metabolism by incorporating the heterologous ribulose monophosphate cycle into Methylorubrum extorquens
通过将异源核酮糖单磷酸循环纳入甲基红红菌中,重新连接天然甲醇同化代谢
  • DOI:
    10.1016/j.ymben.2021.01.009
  • 发表时间:
    2021-02-05
  • 期刊:
    METABOLIC ENGINEERING
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Yuan, Xiao-Jie;Chen, Wen-Jing;Yang, Song
  • 通讯作者:
    Yang, Song
Establishment of CRISPR interference in Methylorubrum extorquens and application of rapidly mining a new phytoene desaturase involved in carotenoid biosynthesis
Mmethylorubrum extorquens CRISPR干扰的建立及快速挖掘参与类胡萝卜素生物合成的新型八氢番茄红素去饱和酶的应用
  • DOI:
    10.1007/s00253-020-10543-w
  • 发表时间:
    2020-03-25
  • 期刊:
    APPLIED MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Mo, Xu-Hua;Zhang, Hui;Yang, Song
  • 通讯作者:
    Yang, Song
Metabolomic analysis improves bioconversion of methanol to isobutanol in Methylorubrum extorquens AM1
代谢组学分析改善了甲基红菌 AM1 中甲醇向异丁醇的生物转化
  • DOI:
    10.1002/biot.202000413
  • 发表时间:
    2021-02
  • 期刊:
    Biotechnology Journal
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Zeng-Xin Ma;Min Zhang;Chang-Tai Zhang;Hui Zhang;Xu-Hua Mo;Xin-Hui Xing;Song Yang
  • 通讯作者:
    Song Yang

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其他文献

人参多糖对氧化应激损伤肝细胞的保护作用机制研究
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  • 发表时间:
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    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    陈卓
柱前衍生化超高效液相色谱-串联质谱法检测水体中代森锰锌残留量
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    2020
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杨松;柏杨;王文利;许乐园;高云;王苓;邹楠;慕卫
  • 通讯作者:
    慕卫
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  • 发表时间:
    2019
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  • 影响因子:
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  • 作者:
    刘乖丽;孟志尚;田梦冉;魏文娟;杨松;赵维佳;杨斐;李红宾
  • 通讯作者:
    李红宾
(Z)-2-(1H-1,2,4-三唑-1-基)-1-(2,3,4-三甲氧基)苯乙酮肟酯新化合物合成和结构表征
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    --
  • 发表时间:
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  • 期刊:
    农药学学报
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  • 作者:
    杨松;宋宝安*;李正名;廖仁安
  • 通讯作者:
    廖仁安

其他文献

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杨松的其他基金

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
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  • 批准年份:
    2020
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    63 万元
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  • 项目类别:
    联合基金项目

相似国自然基金

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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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