钝齿棒杆菌氮素调节因子AmtR_GlnK在L-精氨酸合成中的调控机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31770058
  • 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:
    C0103.微生物组学与代谢
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

L-arginine, as a conditionally essential amino acid in human nutrition, has numerous applications in food flavor and pharmaceutical. Its chemical formula is C6H14N4O2 and the high nitrogen content is 32.1% of arginine. Due to the highest nitrogen to carbon ratio among the 21 proteinogenic amino acids, the arginine catabolism serves on the one hand to mobilize nitrogen storages. Therefore, arginine metabolism plays a key role in nitrogen assimilation and distribution.. Corynebacterium crenatum SYPA is an aerobic and industrial L-arginine producer. Some efficient strategies and elevations have been used to improve the L-arginine producing ability in Corynebacterium crenatum SYPA. As a result, the L-arginine concentration of the batch fermentation reached a high level of 76.4 g/L in the recombinant strain. However, over the past 10 years, research mainly on arginine metabolic engineering has generated significant progress in our understanding of the carbon metabolism in arginine biosynthesis, whereas several crucial regulation questions on the nitrogen metabolism remain unanswered. The present project highlights challenges for research on the regulation mechanism of the regulator AmtR_GlnK in nitrogen matabolism and arginine biosynthesis in C. crenatum SYPA. This project will aim to understand the connection of the nitrogen regulatory networks and the arginine biosynthesis pathway. The mechanisms involve in AmtR control regulating gene expression and protein activity are repression of transcription, GlnK protein-complex formation and protein modification by adenylylation in C. crenatum. For this purpose, a powerful combination of bioinformatics, transcriptome, and proteome analyses as well as flux and metabolome analyses will be necessary, leading towards a systems biology approach and a holistic view on the C. crenatum cell. Furthermore, by developing metabolic engineering and modular pathway engineering methods, the strain will be adapted the metabolic pathway of nitrogen regulation to increase the arginine production.
L-精氨酸是一种半必需氨基酸,其氮(N)素占量高达32.1%,是天然氨基酸中N:C比例最高的氨基酸。L-精氨酸的合成是细胞N源利用的一个重要途径,L-精氨酸合成效率与细胞N源吸收与利用效率密切相关。钝齿棒杆菌SYPA是项目组具有独立自主知识产权的精氨酸生产菌株,项目组已针对精氨酸合成途径中碳代谢进行了系统代谢工程改造。本项目拟在前期工作基础上,通过生物信息学、组学分析、EMSA、Pulldown等方法深入研究钝齿棒杆菌SYPA中AmtR在N源吸收、利用与L-精氨酸合成中的转录调控和GlnK信号转导蛋白的后转录调控机制,解析AmtR_GlnK在L-谷氨酸、L-谷氨酰胺和L-精氨酸合成代谢途径中的协同调控机理,利用系统代谢工程和模块化策略对AmtR_GlnK调控目标代谢网络进行精细调控,实现胞内L-谷氨酸和L-谷氨酰胺的高效合成与利用,进一步提高L-精氨酸生产效率。

结项摘要

L-精氨酸的合成与细胞氮源吸收与利用效率密切相关,本研究以高产L-精氨酸的钝齿棒杆菌(Corynebacterium crenatum)作为出发菌株,通过转录组和差异蛋白组系统研究N源调节因子AmtR_GlnK在钝齿棒杆菌中N源吸收利用途径及L-精氨酸合成代谢中的调控机制。在敲除AmtR菌株中整合表达tacM启动子和铵转运蛋白AmtB增强NH4+吸收,同时串联表达氮代谢相关基因glnA-gltB-gltD,精氨酸产量为70.4 g·L-1。通过GST pull-down和ITC实验证实鉴定出在非光和细菌谷氨酸棒杆菌中PII信号转导蛋白(GlnK)可与L-精氨酸合成关键限速酶N-乙酰谷氨酸激酶(NAGK)具有相互作用,可缓解NAGK受L-精氨酸的反馈抑制。结合分子模拟及定点突变鉴定复合体中GlnK F11、R47和K85以及NAGK N258和R261是PII-NAGK关键结合位点。结果表明GlnK不但能通过上调L-精氨酸合成关键基因的转录水平,还能通过缓解NAGK受L-精氨酸的抑制,最终促进L-精氨酸的合成。对双功能尿苷酰转移/去除酶 GlnD 进行整合突变,将 H414和 D415位点突变为两个丙氨酸 AA;发现减弱 GlnD 尿苷酰去除酶的活性后,胞内尿苷酰化的 GlnK-UMP 增加,GlnK-UMP 与氮转录调控因子 AmtR 结合,转运至胞内的 NH4+浓度提高,促使 L-精氨酸产量显著提高;通过系统代谢工程适配各模块强度增加胞内谷氨酰胺合成可显著提高重要前体氨甲酰磷酸的合成,重组菌株ARG-CP4在5 L发酵罐中的L-精氨酸产量比SYPA5-5提高了54.5%,显著提高L-精氨酸的产量和铵利用率,为微生物发酵法生产L-精氨酸提供了优势菌株。.在Applied Environment Microbiology、Applied Microbiology and Biotechnology和微生物学报等期刊发表学术论文17篇;参加国际国内学术会议2 人次,发表学术会议论文2 篇;相关成果申请国际PCT专利并获美国授权1项,申请国家发明专利5项,授权国家发明专利4项。培养硕士研究生5名,联合培养博士研究生2名。

项目成果

期刊论文数量(17)
专著数量(1)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(7)
Improved l-ornithine production in Corynebacterium crenatum by introducing an artificial linear transacetylation pathway
通过引入人工线性转乙酰化途径提高锯齿棒杆菌中 L-鸟氨酸的产量
  • DOI:
    10.1007/s10295-018-2037-1
  • 发表时间:
    2018-06-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF INDUSTRIAL MICROBIOLOGY & BIOTECHNOLOGY
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Shu, Qunfeng;Xu, Meijuan;Rao, Zhiming
  • 通讯作者:
    Rao, Zhiming
Directed Evolution of Ornithine Cyclodeaminase Using an EvolvR-Based Growth-Coupling Strategy for Efficient Biosynthesis of L-Proline
使用基于 EvolvR 的生长偶联策略定向进化鸟氨酸环脱氨酶,实现 L-脯氨酸的高效生物合成
  • DOI:
    10.1021/acssynbio.0c00198
  • 发表时间:
    2020-07-17
  • 期刊:
    ACS SYNTHETIC BIOLOGY
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Long, Mengfei;Xu, Meijuan;Rao, Zhiming
  • 通讯作者:
    Rao, Zhiming
Enhanced production of L-arginine by improving carbamoyl phosphate supply in metabolically engineered Corynebacterium crenatum
通过改善代谢工程锯齿棒状杆菌中氨基甲酰磷酸的供应来提高 L-精氨酸的产量
  • DOI:
    10.1007/s00253-021-11242-w
  • 发表时间:
    2021-04
  • 期刊:
    Applied Microbiology and Biotechnology
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Wang Qing;Jiang An;Tang Jiabing;Gao Hui;Zhang Xian;Yang Taowei;Xu Zhenghong;Xu Meijuan;Rao Zhiming
  • 通讯作者:
    Rao Zhiming
离子转运蛋白调控钝齿棒杆菌离子和pH稳态促进L-精氨酸合成
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    微生物学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘晶;徐美娟;满在伟;高慧芳;张显;杨套伟;许正宏;饶志明
  • 通讯作者:
    饶志明
谷氨酸棒杆菌耐受胁迫机制及工业鲁棒性合成生物学研究进展
  • DOI:
    10.13345/j.cjb.200631
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    生物工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    徐美娟;上官春雨;陈鑫;张显;杨套伟;饶志明
  • 通讯作者:
    饶志明

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  • 通讯作者:
    饶志明
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  • 通讯作者:
    徐美娟
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
    生物工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    徐美娟;张显;饶志明;杨娟;窦文芳;金坚;许正宏
  • 通讯作者:
    许正宏
大肠杆菌全细胞转化联产L-2-氨基丁酸和D-葡萄糖酸
  • DOI:
    10.13345/j.cjb.170056
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    生物工程学报
  • 影响因子:
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  • 作者:
    张蔡喆;杨套伟;周俊平;郑俊贤;徐美娟;张显;饶志明
  • 通讯作者:
    饶志明
羟丙基-β-环糊精对新金色分枝杆菌合成ADD蛋白质组的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    应用与环境生物学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    吴丹;张显;饶志明;邵明龙;陈亚玲;徐美娟;杨套伟
  • 通讯作者:
    杨套伟

其他文献

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徐美娟的其他基金

谷氨酸棒杆菌非编码6CsRNA响应环境压力的分子机制与级联调控
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AI项目解读示例

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

        graph TD
          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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