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低氧促进Ralstonia eutropha固定二氧化碳合成PHB的分子机制
结题报告
批准号:
21676279
项目类别:
面上项目
资助金额:
64.0 万元
负责人:
彭小伟
学科分类:
B0816.资源、环境与生态化工
结题年份:
2020
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
米朔甫、贾晓静、苏红、丁建军
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中文摘要
二氧化碳固定是缓解温室效应的重要手段。罗氏真养菌(Ralstonia eutropha)通过化能自养方式固定二氧化碳,并在体内大量合成聚羟基丁酸酯(PHB)。该菌化能自养发酵过程以氢、二氧化碳和氧为底物,研究发现低氧能够诱导PHB 的胞内合成,然而其机制尚不清楚。本项目拟对自养罗氏真养菌固定二氧化碳合成PHB过程中,低氧促进PHB 合成的分子机制开展研究。首先,通过比较基因组学、蛋白组学等手段,阐明分别在低氧和高氧浓度下罗氏真养菌固定二氧化碳过程,基因转录和蛋白表达差异,并结合生物信息学分析,发现低氧诱导PHB合成关键基因及转录因子;其次,通过酵母单杂交和基因组编辑(敲除或过量表达)技术,以发现的转录因子为基础,对罗氏真养菌中耗氧能量代谢基因簇、PHB 合成基因簇、及其它发现的低氧诱导基因及转录因子结合位点进行验证,进而揭示低氧诱导PHB合成的分子机制。
英文摘要
Carbon dioxide fixation is an important way to remit the greenhouse effect. Ralstonia eutropha H16 has the ability of assimilating carbon dioxide to produce the degradable plastics - poly[R-(–)-3-hydroxybutyrate] (PHB). This strain uses the gas mixture of carbon dioxide, hydrogen and oxygen as substrate for PHB production through chemoautotrophic cultivation. It has been found that the low-oxygen condition can promote PHB accumulation. However, its mechanism is unclear. In this project, we are going to reveal the molecular mechanism of promoting PHB synthesis by low-oxygen condition for Ralstonia eutropha H16 during chemoautotrophic cultivation. Firstly, we will illuminate the differences of the gene transcription and protein expression between low-oxygen and high-oxygen carbon dioxide fixation processes by using the methods of comparative genomics and proteomics, and find out the hypoxia-inducible PHB synthetic genes and transcription factors by combining these differences of the gene transcription and protein expression with bioinformatics analysis of Ralstonia eutropha H16. Secondly, based on the detected transcription factors, we will verify the binding sites of the energy metabolism gene clusters, PHB synthesis gene cluster, and other found hypoxia-inducible genes and transcription factors, by using the yeast single hybridization and genome editing (knockout or overexpression) technologies. After such research, we will reveal the molecular mechanisms of hypoxic -inducible PHB synthesis.
罗氏真养菌(Ralstonia eutropha,又名Cupriavidus necator或Alcaligenes eutrophus)通过化能自养方式固定二氧化碳,并在体内大量合成可降解塑料聚羟基丁酸酯(PHB)。该菌化能自养发酵过程以氢、二氧化碳和氧为底物,研究发现低氧能够诱导PHB 的合成,但其机制尚不清楚。项目组通过转录组学、蛋白组学、酶学、信息生物学等技术手段,揭示了低氧促进罗氏真养产碱杆菌合成PHB的机制:在低氧浓度的环境下,调节卡尔文循(CO2固定途径)cbb操纵子表达上调,使细胞具有更强的CO2固定能力;同时PHB颗粒化过程中最重要的蛋白phaP1和PhaP2表达大幅度上调,导致PHB颗粒形成加速,促进PHB合成;此外,编码多个PHB解聚酶的phaZ4、phaY1和phaY2表达下调,从而减少了PHB在细胞中的降解。通过转录组分析和基因过表达,验证了nuoD和nuoG以及fnr5为氧应答关键基因。同时也发现低氧条件下催化副产物乳酸、乙酸和乙醛酸合成关键基因上调,显示低氧条件诱导副产物产生。基于这些发现,对菌种进行了基因工程改造,通过膜结合氢化酶信号肽基因与血红蛋白酶基因VHb融合表达,将血红蛋白酶VHb从细胞质牵引到细胞周质空间,提高呼吸代谢效率;同时,敲除了副产物乳酸、乙酸和乙醛酸合成关键基因ldh, ackA2, iclA和iclB。结果,在限氧条件下,与原始菌株相比,该工程菌生物量和PHB产量分别提高31.0%和71.5%,为低氧(可防止发酵过程爆炸)条件下高效合成PHB提供了可能。项目研究结果为利用CO2发酵生产可降解塑料PHB的工业化应用提供了理论支撑和菌种基础。
期刊论文列表
专著列表
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专利列表
DOI:10.1016/j.biortech.2017.03.128
发表时间:2017-07
期刊:Bioresource technology
影响因子:11.4
作者:Xiaowei Peng;C. Li;Jing Liu;Zili Yi;Yejun Han
通讯作者:Xiaowei Peng;C. Li;Jing Liu;Zili Yi;Yejun Han
Metabolic engineering of Cupriavidus necator H16 for improved chemoautotrophic growth and PHB production under oxygen-limiting conditions
Cupriavidus necator H16 的代谢工程可改善限氧条件下的化能自养生长和 PHB 生产
DOI:10.1016/j.ymben.2020.04.009
发表时间:2020
期刊:Metabolic Engineering
影响因子:8.4
作者:Tang Ruohao;Weng Caihong;Peng Xiaowei;Han Yejun
通讯作者:Han Yejun
DOI:10.1039/c9ra03386f
发表时间:2019-06-14
期刊:RSC advances
影响因子:3.9
作者:
通讯作者:
DOI:10.1016/j.bioelechem.2019.107406
发表时间:2020
期刊:Bioelectrochemistry
影响因子:5
作者:Su Hong;Tang Ruohao;Peng Xiaowei;Gao Aiguo;Han Yejun
通讯作者:Han Yejun
DOI:--
发表时间:2019
期刊:化学进展
影响因子:--
作者:苏红;韩业君
通讯作者:韩业君
Cupriavidus necator 一氧化碳代谢激活机制和限速靶点研究
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