高通透红色红球菌细胞封皮催化剂创制及其性能探究
批准号:
22078173
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
于慧敏
依托单位:
学科分类:
生物化工与合成生物工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
于慧敏
中文摘要
生物催化剂工业化开发是我国生物制造产业重大需求。微生物全细胞催化剂 “最有效、最稳定、最方便应用”,但受细胞膜包被限制,通常不能用于大分子底物。基于红色红球菌特有的高强度细胞封皮结构、高有机溶剂耐受性且可使用廉价尿素高效诱导表达目标酶特点,提出通过噬菌体穴蛋白基因可控表达实现细胞膜按需穿孔、创制高通透细胞封皮型红色红球菌细胞催化剂新思路,突破狭窄底物谱制约。经λ噬菌体、分枝杆菌和红球菌噬菌体穴蛋白基因比选,以四环素诱导、升温诱导及细胞群体感应反馈调节为对照,重点采用磷酸盐饥饿诱导新方法实现优选穴蛋白基因在发酵末期可控表达,成功创制高通透细胞封皮。设计荧光标记寡肽库,研究高通透细胞封皮的底物谱规律;以转氨酶、醛缩酶、CPC酰化酶等为模式酶,揭示实际底物催化转化规律。进一步探究细胞封皮内双酶协同催化合成医药大分子适用性规律。发表SCI论文4-7篇,申请专利3-6项,实现基础研究成果转化。
英文摘要
Biocatalyst industrialization development is the major demand of the industrial bio-manufacturing. “The most effective, stable and convenient form for the biocatalyst is a whole organism”, but it is always limited by the encapsulation of cell membrane, therefore can’t be used for the system with large substrate molecules. Based on a series of unique properties of Rhodococcus ruber, e.g. high intensity cell-envelope structure, high organic solvent tolerance and overexpression of target enzyme with cheap urea as inducer, we propose here a novel idea to creatively construct a special R. ruber cell-envelope biocatalyst with high permeability through holin effect, thereby breakthrough the constraints of the limited substrate spectrum. Different holin genes from phage λ, phage mycobacteria and phage Rhodococcus will be designed and synthesized according to the R. ruber codon preference, and the optimal one will be used for the subsequent inducible expression with phosphate salt starvation induction, tetracycline induction, temperature-shift induction, and also Quorum Sensing (QS) regulation. The rare phosphate salt starvation induction is particularly highlighted as the most preferred approach with high industrial feasibility to efficiently initiate the holin expression in the late stage of fermentation and then generate the expected cell membrane holes. For the harvested high substrate-permeable R. ruber cell-envelope type biocatalyst, a library containing fluorescence labeling oligo-peptides with 2-6 amino acids will be designed and synthesized, and used for visualization investigation on the changes of the substrate spectrum. Selecting transaminase, aldolase and cephalosporin C acylase, etc. as the model enzymes, the catalysis and biotransformation rules of the single enzyme in the novel R. ruber cell-envelope will be characterized. At last, an intracellular dual-enzyme concerted-catalysis system, also in the type of high permeable R. ruber cell-envelope, is further proposed to produce high-value medicine intermediates, expanding the application fileds of the novel method developed in this study.
微生物全细胞催化剂 “最有效、最稳定、最方便应用”,但受细胞膜包被限制,通常不能用于大分子底物。基于红色红球菌特有的高强度细胞封皮结构、高有机溶剂耐受性且可使用廉价尿素高效诱导表达目标酶特点,提出通过噬菌体穴蛋白基因可控表达实现细胞膜按需穿孔、创制高通透细胞封皮型红色红球菌细胞催化剂新思路,突破狭窄底物谱制约。经λ噬菌体、分枝杆菌和红球菌噬菌体穴蛋白基因比选,挖掘了9种穴蛋白,都具有两重或三重及以上的跨膜结构。建立了分子荧光探针标记表征细胞通透性方法,重点使用FAM(荧光素)标记的环状短肽(FAM-CG6C和FAM-CG10C,分子直径1.2 -1.6nm)开展了细胞膜通透性变化研究。原创发掘了在发酵不同时期自响应启动高表达的时序动态启动子总计2753个;进一步筛选获得了包含22个启动子的后期表达时序动态启动子精选库,时序变化倍数在3.5-21倍之间,表达强度从500到18000。通过发酵后期自响应启动子实现了优选穴蛋白Holin-D1和R2的可控表达,成功创制高通透细胞封皮。以腈水合酶、转氨酶、漆酶、丝氨酸羟甲基转移酶醛还原酶、CPC还原酶等为模式酶,揭示实际底物催化转化规律。代表性漆酶、丝氨酸羟甲基转移酶和CPC酰化酶活性分别提高了30%、226%和60.5%。还探究了醇脱氢酶、亚胺还原酶双酶协同催化性能;拓展研究了PtacM突变体等不同启动子性能、红球菌底盘细胞色素调控,开展了红球菌全细胞催化与分泌表达催化、穿膜酶跨膜催化、拟游离酶催化等对照体系的对比研究。发表有标注的期刊论文10篇,其中SCI收录6篇,英文新期刊2篇,中文期刊2篇;申请专利13项,已授权3项;完成知识产权声明4项;完成产业化合同4项,创立新企业1家。参加国际国内会议并做报告20余次。合计培养工学博士4名、硕士2名。完成产业化合作4项,其中技术许可1项。创立衍生企业一家,北京衍微科技有限公司。“合成生物制造底盘菌种(红球菌)” 入选2024年中关村论坛(北京市政府、科技部等主办)重大科技成果。
新型尿素诱导启动子调控机制及其进化和适用性规律
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批准号:21776157
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项目类别:面上项目
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资助金额:64.0万元
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批准年份:2017
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负责人:于慧敏
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依托单位:
亚基界面/末端构筑盐桥和二硫桥强化多亚基酶稳定性
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批准号:21476126
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项目类别:面上项目
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资助金额:90.0万元
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批准年份:2014
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负责人:于慧敏
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依托单位:
M13噬菌体对表面原位合成金属纳米颗粒的氧化还原加速效应
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批准号:21176143
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项目类别:面上项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2011
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负责人:于慧敏
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依托单位:
I类透明质酸合成酶催化能域快速收敛定位与解析
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批准号:20976094
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项目类别:面上项目
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资助金额:34.0万元
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批准年份:2009
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负责人:于慧敏
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依托单位:
以基因工程菌生产丙烯酰胺的应用基础研究
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批准号:20206014
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2002
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负责人:于慧敏
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依托单位:
国内基金
海外基金