课题基金 / 基金详情

基于耐热酵母人工菌群实现共利用葡萄糖和木糖高产3-HP及其阻遏机制

批准号:
32102136
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:
张标
依托单位:
学科分类:
食品科学研究的新方法
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张标

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
目前酵母等真核微生物葡萄糖阻遏效应的分子机制尚未完全明确,极大的限制了混合碳源(例如木质纤维素的水解产物葡萄糖和木糖)的同步共利用。为了克服这一问题,本项目以GRAS耐热性马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)为研究对象,基于瞬时CRISPR/Cas9技术构建选择性利用葡萄糖、木糖以及甘油为底物合成3-羟基丙酸的模块化功能菌株,采用串联、并联和混联的模块化组装策略建立共利用混合碳源的酵母人工菌群共培养体系,比较不同的模块化组装方式对合成效率的影响,明确细胞间的信息互作和调控,对细胞间的物质流和能量流进行表征。比较功能菌株的转录组和SNP差异,鉴定马克斯克鲁维酵母中葡萄糖阻遏木糖代谢的关键基因,阐明其作用机制。单物种多菌株的人工菌群相比多物种菌群更加稳定,又可以完成单一菌株培养体系难以实现的多底物共利用和复杂化合物合成过程,本项目将拓展其在食品合成生物学中的应用。
英文摘要
The key mechanisms of carbon catabolite repression have not been fully clarified in yeast, thus the simultaneous co-utilization of mixed carbon sources (such as the glucose and xylose mixture from lignocellulose hydrolysis) have been limited a lot. This project proposes to develop co-culture systems with engineered Kluyveromyces marxianus strains that selectively use glucose, xylose or glycerol to produce 3-hydroxypropionic acid. By co-culturing these strains with different assembly strategies, we will obtain the relationship between product synthesis efficiency and assembly strategies, clarify the information interaction and regulation between cells, and characterize the material and energy flows. By comparing the transcriptomes differences between strains using different carbon sources, and the SNPs between strains, we will reveal the molecular mechanism of carbon catabolite repression of glucose on xylose in K. marxianus. This single-species and multi-strains co-culture system is more stable than a multi-species co-culture system and suitable for complex biochemical synthesis which is difficult for a monoculture system. These efforts should significantly expand the application of single-species and multi-strains co-culture system in food synthetic biology.
本项目围绕耐热酵母马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)的基因编辑、代谢途径优化及其在生物合成中的应用展开研究,旨在构建高效合成3-羟基丙酸(3-HP)和木糖醇的工程菌株,并探索其在高温条件下的代谢调控机制。主要成果:1.本项目成功开发了瞬时CRISPR/Cas9基因编辑技术,显著提高了马克斯克鲁维酵母的基因敲除效率。通过该技术,构建了多个功能菌株模块,包括选择性利用葡萄糖、木糖和甘油合成3-HP的菌株,并阐明了耐热酵母中葡萄糖抑制木糖代谢的分子机制。研究发现,PGI1基因在葡萄糖抑制木糖代谢中起关键作用,敲除PGI1基因后,耐热酵母能够实现葡萄糖和木糖的高效共利用,且避免了副产物乙醇的产生。2. 3-HP合成菌株的构建与优化。项目通过代谢途径重构,成功构建了利用甘油和丙二酰CoA为中间产物的3-HP合成菌株。通过优化甘油代谢途径,提高了3-HP的合成效率。碳酸钙的加入能够显著提高3-HP的产量,最终在摇瓶发酵中获得了17.8 g/L的3-HP产量,并在生物反应器中通过分批补料发酵将产量提升至21.8 g/L。3.木糖醇生产菌株的构建与应用。本项目通过敲除PGI1和Xyl2基因,构建了能够高效共利用葡萄糖和木糖生产木糖醇的工程菌株。PGI1基因的敲除能够显著提高木糖醇的产量,且在高温条件下(42℃)仍能保持较高的生产效率。最终,在发酵罐中通过分批补料发酵,木糖醇的产量达到了203.57 g/L,产率为2.99 g/L/h,接近理论最大值。4. 甾醇合成与耐热性研究。项目研究了马克斯克鲁维酵母中甾醇合成途径及其与耐热性的关系。通过过表达Upc2转录因子,显著提高了麦角甾醇的产量,并在高温条件下验证了其耐热性。过表达Upc2的菌株在45℃条件下仍能保持较高的麦角甾醇产量,且通过增强曝气条件,进一步提高了产量。项目执行期间,培养了5名硕士研究生,其中1人已毕业,3人已完成开题。在本项目的资助下发表了3篇SCI一区论文,并申请了2项国家发明专利。项目负责人参加了2023年安徽省微生物学会学术年会并作大会报告。
中介体CDK8激酶模块调控马克斯克鲁维酵母动态响应热胁迫的机制研究
  • 批准号:
    22378156
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    张标
  • 依托单位:
国内基金
海外基金