枯草芽胞杆菌嘌呤核苷通用底盘菌的从头构建及应用

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31570083
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C0104.微生物遗传与生物合成
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2019-12-31

项目摘要

Purine nucleosides are of great importance in pharmaceutical, food, and health care industry due to their important physiological roles in cellular metabolism. Although they have been produced in bulk by Bacillus for decades, the majority of industrial Bacillus strains were screened by conventional mutagenesis approaches, which have introduced undesirable secondary mutations and thus limit the further improvements of their production capacity. To break through the bottleneck of purine nucleosides fermentation, systematic metabolic engineering is necessary to construct the genetically engineered bacteria. To date, the metabolic engineering for purine nucleosides production has developed slowly because it is hindered by two major problems: (i) the low metabolic flux of purine nucleosides synthesis carried by pentose phosphate pathway (PPP), and (ii) the lack of efficiently seamless genetic manipulation system in Bacillus. In the proposed project, we plan to use the model strain Bacillus subtilis W168 to construct a universal chassis for the purine nucleosides biosynthesis through the seamless genetic manipulation system, which has been previously constructed and will be further optimized in this project. Firstly, an efficient nucleoside synthesis module will be constructed by protein scaffold and related technologies to precisely control the cell metabolic flux of the central carbon metabolism. The effective metabolic flux of PPP will be increased by introducing spatially recruited metabolic enzymes in a designable manner. Then, in an attempt to increase the accumulation of the precursors PRPP and IMP for purine nucleosides synthesis, several key targets for the pentose phosphate and purine biosynthetic pathway will be genetically modified and optimized. A universal chassis will be subsequently constructed and applied to optimize the inosine, adenosine, and guanosine biosynthesis pathways. Finally, the universal chassis with known genetic background will be successfully obtained when we can achieve efficient synthesis of 2-3 purine nucleosides in this project. Taken together, the results of this project will provide substantial scientific foundation to clarify the regulatory mechanisms of purine nucleoside biosynthesis, and will further provide a new theoretical and practical basis for breeding industrial microorganisms.
嘌呤核苷在细胞代谢中具有重要的生理作用,广泛应用于医药、食品和保健等领域。目前嘌呤核苷多采用传统诱变选育的芽胞杆菌进行发酵法生产, 但多轮诱变积累的负效应限制了菌株发酵性能的提高。因此,亟需开展嘌呤核苷的系统代谢工程研究,突破嘌呤核苷发酵生产的瓶颈。而构建工程菌目前主要面临两大问题:①嘌呤核苷合成载流途径为戊糖磷酸途径(PPP),流量低;②缺乏高效的无痕操作系统。本项目以模式菌株枯草芽胞杆菌W168为研究对象,完善前期工作中构建的无痕操作系统;利用蛋白支架等技术定向改造中心碳代谢途径的代谢流量分配,精确调控PPP的代谢通量;进一步优化PPP和嘌呤合成途径,增强嘌呤核苷合成前体的积累,最终获得一株遗传背景清楚的嘌呤核苷通用底盘菌;在此基础上改造不同的嘌呤核苷终端代谢途径,实现2-3种嘌呤核苷的高效合成。本项目的完成将有助于阐明嘌呤核苷生物合成的调控机制,为工业细菌育种提供新的理论和实践基础。

结项摘要

嘌呤核苷作为生物体内重要的代谢产物,参与核酸合成、能量供给和蛋白质合成等许多重要的细胞代谢过程,在维持细胞的生理代谢功能中发挥着重要作用,在医药、保健和食品等领域中具有非常广泛的应用价值。目前嘌呤核苷代谢工程改造只局限在产物合成相关途径基因的局部改造,缺乏对目标微生物代谢网络的全局调控,难以实现嘌呤核苷的高效积累。本项目首先以模式菌株枯草芽胞杆菌W168为研究对象,通过重构毒素-抗毒素系统构建抗毒素开关调控的毒素反筛模块(TCCRAS),建立了芽胞杆菌高效无痕的遗传操作系统;在此基础上,进一步利用限制性修饰系统建立了一套简单、高效且应用范围广的基因组编辑新技术(RMGE),该技术能够广泛适用于大肠杆菌、枯草芽胞杆菌和酿酒酵母的基因组编辑。在此基础上,以基因组代谢网络模型为基础,在细胞水平对代谢网络进行分析和预测,运用局部搜索启发式算法分析预测最佳的敲除靶点。运用最小开关调整算法对预测的靶点进行分析筛选,发现了有利于嘌呤核苷合成的改造靶点转醛醇编码基因。根据预测结果,构建的工程菌肌苷产量分别显著提高了9.6%和10.6%;进一步在染色体上过表达zwf基因使肌苷产量提高的同时菌株生产强度显著提高了15.7%,在此基础上对pgi靶点进行敲除或弱化,发现弱化策略更有利于肌苷的积累,使肌苷产量显著提高了21.1%。同时,利用支架蛋白对磷酸戊糖途径关键酶进行线性组装表达,发酵罐结果显示肌苷积累提高10.7%,通过回补编码腺苷酸琥珀酸合成酶基因获得了嘌呤核苷通用底盘菌。在通用底盘菌的基础上,通过阻断分支代谢途径和分解途径,同时过表达关键酶基因,构建了肌苷和腺苷基因工程菌,产量分别为22.81±0.82 g/L 和3.58±0.17g/L,获得文献报道以来枯草芽胞杆菌从头构建肌苷工程菌的最高产量。本项目在基因组代谢网络模型指导下,对枯草芽胞杆菌嘌呤核苷的合成进行理性代谢工程研究,从细胞整体水平上分析枯草芽胞杆菌嘌呤核苷合成的代谢机理,为嘌呤核苷生产菌株的选育提供理论基础和实践经验。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A Novel Tool for Microbial Genome Editing Using the Restriction-Modification System
使用限制性修饰系统进行微生物基因组编辑的新工具
  • DOI:
    10.1021/acssynbio.7b00254
  • 发表时间:
    2018-01-01
  • 期刊:
    ACS SYNTHETIC BIOLOGY
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Bai, Hua;Deng, Aihua;Wen, Tingyi
  • 通讯作者:
    Wen, Tingyi
Bacterial Genome Editing via a Designed Toxin-Antitoxin Cassette
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    ACS Synthetic Biology
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Wu Jie;Deng Aihua;Sun Qinyun;Bai Hua;Sun Zhaopeng;Shang Xiuling;Zhang Yun;Liu Qan;Liang Yong;Liu Shuwen;Che Yongsheng;Wen Tingyi
  • 通讯作者:
    Wen Tingyi

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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