基于“分子感应-CRISPRi”动态调控的酪醇类衍生物异源高效合成
批准号:
22108097
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:
吕小妹
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:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
吕小妹
中文摘要
酪醇类衍生物作为多种珍贵中草药植物的主要活性成分,在医疗、食品保健、化妆品等行业具有广泛应用。利用合成生物学手段构建细胞工厂为其工业化生产提供了可行策略,然而底盘微生物中产物合成与中心代谢流存在前体物竞争,致使产物合成与细胞生长相互制约,因此如何平衡两者之间的关系成为酪醇衍生物高效合成的关键难题。本项目拟建立基于分子感应-CRISPRi的动态调控策略,通过时间调控促进碳代谢流的高效转化。首先依据前期发现及文献报道的芳香醇细胞毒性及在细胞生理调控中的重要作用,采用转录组学方法挖掘酪醇感应元件;进而通过分子定向改造,优化感应元件及CRISPRi系统的感应阈值及调控幅度;最终将该策略应用于羟基酪醇路径工程实例中,通过对酪醇浓度变化的自动感应实现细胞生长与产物合成的平衡发展。该工作将有助于深入解析酿酒酵母中的酪醇调控机制,为其高效生物制造奠定基础,同时为更多复杂代谢网络的时空精细调控提供方法借鉴。
英文摘要
Tyrosol derivatives are the main bioactive ingredients in a number of highly valued herb plants, which are widely used in the food, pharmaceutical, and cosmetics industries. Construction of microbial cell factory via the employment of synthetic biology provides a feasible approach for their large-scale production. However, the biosynthetic efficiency is largely restricted by the precursor competition conflict between product accumulation and cell growth. Targeting at this bottleneck, we aim to develop a sensor-regulator and CRISPRi-based dynamic regulation strategy for the temporal control of gene expression. Firstly, based on the cytotoxicity of tyrosol and its important role in the physiological regulation of yeast in our preliminary work and previous reports, tyrosol-sensing elements will be mined by transcriptomics analysis. The threshold values and regulation ranges of targeted sensors as well as the CRISPRi system will be then optimized by molecular directed evolution. Finally, as a proof of concept, this dynamic regulation strategy will be applied in microbial production of hydroxytyrosol whereby a two-stage culture mode will be developed to balance cell growth and product accumulation. This work will help get insight into the regulation mechanism of tyrosol in Saccharomyces cerevisiae and provide methodological support for the regulation of other complex metabolic networks for the synthesis of high-value products.
酪醇类衍生物作为多种珍贵中草药植物的主要活性成分,在医疗、食品保健、化妆品等行业具有广泛应用。利用合成生物学手段构建细胞工厂为酪醇类衍生物工业化生产提供了可行策略,然而底盘微生物中产物合成与中心代谢流存在前体物竞争冲突,因此如何平衡两者之间的关系成为酪醇衍生物高效合成的关键难题。本项目首先针对酿酒酵母尚未从头合成羟基酪醇报道的研究现状,挖掘到了可以高效催化酪醇的羟化酶,建立了从头合成羟基酪醇的酿酒酵母细胞工厂,继而通过模块化工程调控显著提升了前体物的供给水平;其次,通过转录组学差异分析阐明了酿酒酵母内的酪醇响应网络信号分布,揭示酪醇生成与胁迫压力调控、细胞形态调控及转运调控的关联性,此基础上以绿色荧光蛋白作为指示挖掘到了启动子P_YOR153W、P_YOR153W和P_YLR056W可以感应酪醇的浓度;进一步,将筛选得到的酪醇响应启动子P_YOR153W与dCas9及转录激活蛋白VPR进行DNA融合,成功构建了酪醇感应-CRISPRa表达体系,以响应型启动子控制羟化酶的表达,实现了羟化酶表达量随毒性化合物酪醇含量的动态调控过程;最终,结合辅因子调控及竞争路径的下调,使得羟基酪醇产量提升至683.11 mg/L,发酵罐产量达到2.67g/L。在本项目资助下,在相关领域期刊发表学术论文10篇,其中SCI论文9篇;申请发明专利3项;培养研究生4名;主持或参加国内外学术会议7次。
国内基金
海外基金