堆肥菌株A.fumigatus Z5多糖单加氧酶功能及其木质纤维素分解增效机制研究

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31572200
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C1513.肥料与养分管理
  • 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

Degradation of lignocelluloses is the major biochemical reaction during the composting process, which is catalyzed by various lignocellulases secreted by microorganisms, and there is a positive correlation between the lignocellulase activity and composting efficiency. Polysaccharide monooxygenase (PMOs) being defined as a glycoside hydrolase family member (GH61) play an important role during lignocellulose degradation process. In order to reveal the regulation relationship between GH61 genes and carbon metabolic regulation factors, fluorescence quantitative PCR method will be used to quantify the transcriptional level of different GH61 genes and the carbon metabolic regulation factors creA, aceI, xynl. The highest expression GH61 gene of A.fumigatus Z5 with the PMOs function module will be expressed in Pichia pastoris X33 under methanol induction condition. The recombinant PMOs will be purified by use nickel column affinity chromatography, and the basic enzymatic characteristics of the recombinant PMOs will be determined after being identified by LC-MS/MS. Gene disruption by homologous recombination was performed with the plasmid pDHt/pmos::hph, and this plasmid was constructed by inserting a 3.2-kb SacI/ApaI fragment from pPK2 containing the hph gene flanked by pmos sequence, into the SacI/ApaI-restricted plasmid pDHt/SK. Analysis of the extracellular proteins secreted by wide type and the mutant will be carried out by two-dimensional difference gel electrophoresis (2D-DIGE). Prediction of PMOs possible coordination structure and oxidation potential will be carried out by electron paramagnetic resonance technology (EPR). The isothermal titration calorimetry technology (ITC) will be applied to reveal the cellulose recognition and binding process by PMOs. The surface plasmon resonance technology (SPR) will be used to study the interactive process between PMOs and cellobiose dehydrogenase (CDH), which will help to shed light on the mechanism driving the lignocellulose decomposition. The lignocellulose degradation capacity comparation of the wild type and mutant will be carried out under pure culture conditions by use rice straw as sole carbon source, and sampling will occur at 14 and 28 days after inoculation. The crystallinity index of various samples will detected by X-ray analysis, and the changes in surface morphology of various samples taken at different time points will be carried out by use of atomic force microscope. This study will help to elucidate the function of PMOs in detail, reveal the mechanism of improved catalytic efficiency by the synergistic effect of lignocellulose degradation with cellulose, and in turn provide a theoretical basis for composting efficiency enhancement.
木质纤维素分解是堆肥过程中最重要的生化反应,该过程主要通过微生物分泌的木质纤维酶的水解完成,木质纤维素酶活力大小将直接影响堆肥效率。多糖单加氧酶(PMOs)作为糖苷水解酶家族(GH61)成员之一,在木质纤维素分解过程中发挥了重要作用。本研究拟采用荧光定量PCR方法研究菌株A.fumigatus Z5中GH61家族基因及碳源代谢调控因子creA、aceI、xynL的转录差异;通过构建酵母表达载体,异源表达菌株Z5中pmos基因,经亲和层析纯化获得重组PMOs蛋白并研究其酶学特性;以pPK2和pDHt/SK 质粒为骨架构建二元载体pDHt/pmos::hph,定点敲除pmos基因并验证其功能;基于电子顺磁共振、等温滴定量热技术,研究PMOs识别与绑定纤维素过程。本研究将有助于阐明PMOs的功能,揭示催化木质纤维素分解及与木质纤维素酶协同作用提高催化效率的机制,为提高堆肥效率提供理论依据。

结项摘要

木质纤维素分解是堆肥过程中最重要的生化反应,该过程主要通过微生物分泌的木质纤维酶的水解完成,木质纤维素酶活力大小将直接影响堆肥效率。本研究从A.fumigatus Z5中克隆出多糖单加氧酶基因pmo-1,pmo-5,pmo-8,并利用毕赤酵母表达载体pPICZαA上的醇氧化酶AOX1的启动子和信号肽,使其在毕赤酵母X33中成功表达。结果表明,PMO1,PMO5,PMO8在酵母中均成功表达,其中PMO5蛋白的表达量最高,表达量为1.5 mg/mL,酶活为1.5U,蛋白分子量约为25kDa;利用亲和层析、离子色谱以及分子筛对PMO5蛋白进行了纯化,并获得了色谱纯的PMO5蛋白,达到蛋白结晶的要求;利用悬滴法对纯化的PMO5蛋白进行蛋白结晶条件的摸索,并获得了最佳的蛋白结晶条件(0.2 M Magnesium chloride hexahydrate,25% w/v Polyethylene glycol 3,350,0.1 M BIS-TRIS pH 6.0),在该结晶条件下,可以获得较好的PMO-5蛋白的晶体,达到X-ray衍射的要求;利用同步辐射光源对获得的蛋白晶体进行衍射分析,获得2 Å以下的衍射数据,PMO5蛋白中的大部分的原子都能够得到正确。异源表达的多糖单加氧酶PMO-5可以与二价铜离子结合的非常好,并形成蛋白金属离子复合物,是一种铜离子依赖型的多糖单加氧酶。多糖单加氧酶作用与溶胀纤维素的主要产物有C1 位氧化的纤维五糖(845)和纤维六糖(1007),非氧化型纤维四糖(667),非氧化型纤维五糖(829),非氧化型纤维六糖(991),非氧化型纤维七糖(1153)以及C1位置双氧化的纤维七糖(1229);多糖单加氧酶的活性位点分析结果表明,多糖单加氧酶PMO5的活性位点为H86,Y175,而突变子H86-A,Y175-A的ITC分析结果表明,突变任何一个关键位点,PMO5都失去了与铜离子的结合能力,进一步验证了PMO5的活性中心为H86,Y175。本研究将有助于阐明PMOs的功能,揭示催化木质纤维素分解及与木质纤维素酶协同作用提高催化效率的机制,为提高堆肥效率提供理论依据。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(4)
会议论文数量(2)
专利数量(3)
Effects of amino acids on the lignocellulose degradation by Aspergillus fumigatus Z5: insights into performance, transcriptional, and proteomic profiles
氨基酸对烟曲霉 Z5 木质纤维素降解的影响:对性能、转录和蛋白质组谱的见解
  • DOI:
    10.1186/s13068-018-1350-2
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Biotechnology for Biofuels
  • 影响因子:
    6.3
  • 作者:
    Miao Jiaxi;Wang Mengmeng;Ma Lei;Li Tuo;Huang Qiwei;Liu Dongyang;Shen Qirong
  • 通讯作者:
    Shen Qirong
Two degradation strategies for overcoming the recalcitrance of natural lignocellulosic xylan by polysaccharides-binding GH10 and GH11 xylanases of filamentous fungi.
丝状真菌多糖结合 GH10 和 GH11 木聚糖酶克服天然木质纤维素木聚糖顽抗性的两种降解策略。
  • DOI:
    10.1038/s41467-020-17887-x
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Environmental Microbiology
  • 影响因子:
    5.1
  • 作者:
    Miao Youzhi;Li Pan;Li Guangqi;Liu Dongyang;Druzhinina Irina S;Kubicek Christian P;Shen Qirong;Zhang Ruifu
  • 通讯作者:
    Zhang Ruifu
高效木质纤维素分解菌Aspergillus fumigatus Z5原位分解小麦秸秆的研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    南京农业大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王炫清;苗嘉曦;陈兴;孔志坚;刘东阳;沈其荣
  • 通讯作者:
    沈其荣
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  • DOI:
    10.1016/j.jclepro.2019.02.163
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Journal of Cleaner Production
  • 影响因子:
    11.1
  • 作者:
    Wang Mengmeng;Ma Lei;Kong Zhijiang;Wang Quan;Fang Lin;Liu Dongyang;Shen Qirong
  • 通讯作者:
    Shen Qirong

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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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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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