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草酸青霉菌发酵利用甘草药渣等典型中药固废物的抗逆性机制解析

批准号:
22106073
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张森
依托单位:
学科分类:
固废污染与处置化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张森

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
中药固废物中致密的纤维结构包裹大量药物分子,形成特殊抗性屏障,甘草药渣是一类富含黄酮类、三萜类抑菌成分的典型中药固废物,采用抗逆性菌种将其转化为高附加值产品仍处在发展阶段。草酸青霉菌丰富的代谢系统赋予了它卓越的抗逆性和生物转化性能,是生物质工业化转化的理想菌种。本项目采用“解析-强化-机制解析-验证”的策略,旨在阐明草酸青霉菌利用甘草药渣的抗逆性机制。首先,在解析甘草药渣抗性屏障特征的基础上,利用分子模拟和体外反应考察与甘草药渣特征组分转运和代谢相关的关键酶活性,判定草酸青霉菌的抗逆性因素;随后,采用适应性进化技术,强化草酸青霉菌的抗逆性能;进一步通过基于矩阵分解建模的比较基因组学方法,解析高抗逆表型驯化菌株的突变机制,挖掘抗逆性功能基因;最终,通过基因重构,验证草酸青霉菌利用甘草药渣的抗逆性机制,为解决甘草药渣资源利用问题,也为构建甘草药渣等中药固废物高效生物处置细胞工厂奠定基础。
英文摘要
Herbal extract residues have various small molecules wrapped by dense fiber structure, forming a special resistance barrier. Licorice Resource is a kind of herbal extract residue Rich in flavonoids and triterpenoid antibacterial ingredients. Biomass utilization method based on stress-resistant bacteria has been proven promising but is far from being fully-developed. Penicillium oxalicum's rich metabolic system makes the excellent stress resistance and biotransformation capacity. This species has been recognized as an efficient cell factory for biomass utilization. This project adopts the strategy of "analysis-enhancement-mechanism -verification" to clarify the stress resistance mechanism of Penicillium oxalicum using Licorice Resource and other Herbal extract residues. First of all, on the basis of analyzing the characteristics of resistance barrier of Licorice Resource, the catalytic activities of key enzymes related to the transport and metabolism of solid waste characteristic components of Licorice Resource will be investigated by molecular simulation and in vitro reaction. The stress resistance factors of Penicillium oxalicum will be preliminarily identified through this way, and then the adaptive evolution technique will be used to enhance the stress resistance of Penicillium oxalicum. Furthermore, through the combinatorial analysis based on Matrix factorization modeling, analyze the mutation mechanism of high stress-resistant phenotypic domesticated strains and mine stress-resistant functional genes; finally, through gene knockout technology, verify the stress-resistant mechanism of Penicillium oxalicum in the use of Licorice Resource, which will lays foundation for the utilization of Licorice Resource and the construction of a highly efficient biological disposal cell plant for herbal extract residue.
中药渣年排放量超6000万吨,传统焚烧与堆肥处理导致生物资源浪费严重。基于微生物的生物转化技术为中药渣资源化利用提供了绿色解决方案。微生物通过分泌复合酶系可有效利用中药渣营养成分,但其独特化学特性形成显著降解屏障:约30%残留药效成分与木质纤维素形成生物降解抗性屏障,阻碍酶-底物接触,导致转化效率显著降低。草酸青霉因代谢系统丰富且抗逆性强,是突破此类特殊生物质抗性屏障的潜力菌种。因此,为突破中药渣这类特殊生物质的抗性屏障,解析抗性菌株草酸青霉的抗逆性是提高中药废弃物高效处置的根本途径。本项目采用“抗性特征解析-菌株定向驯化-基因组机制挖掘-工艺集成验证”四阶段研究框架,(1)首先通过对中药渣聚类分析,不同来源中药渣的抗性特征与其活性成分含量呈显著负相关。针对典型中药废弃物甘草药渣,结合分子动力学模拟与体外酶活抑制实验,明确黄酮类成分是关键抗性因子:柚皮素、异芒柄花素和光甘草定可抑制菌体生长,显著降低木质纤维素降解酶活性。(2)然后,采用梯度递增药渣浓度与黄酮胁迫的适应性进化策略,获得高抗逆突变株。该菌株在30%药渣培养基中生物量达4.34 g/L(较原始菌提升137%),纤维素酶活性提高至7.5 U/mL,是亲本菌株产酶能力的2倍以上,有效克服药渣抗性屏障。(3)通过比较基因组学分析,发现驯化菌株中与次生代谢物生物合成相关的基因群发生显著变化,特别是涉及氧化还原酶活性(GO:0016491)、氧结合(GO:0020037)及单加氧酶活性(GO:0004497)的功能基因表达上调。关键代谢通路重构增强了菌株对黄酮类抑制剂的耐受性与纤维降解效率。(4)最后基于抗性菌株构建甘草药渣等中药固废物的高效无化学连续处置工艺,实现“药渣-有效成分重提取-能源物质应用”综合利用工艺,经济附加值提高1200倍,实现中药渣产业链延长,提升经济附加值。本研究阐明中药渣抗性屏障的形成机制,建立菌株抗逆性定向强化策略,并完成工艺验证,为工业微生物抗逆性改造及中药渣资源化提供理论支撑与技术范式。
新型三元DES中甘草药渣等典型中药固废物选择性解离机制与酶解协同转化机理
  • 批准号:
    82574719
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    49.00万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    张森
  • 依托单位:
国内基金
海外基金