组合调控解淀粉芽孢杆菌胞内辅因子NADH/NAD+强化2,3-丁二醇生物合成的分子机制

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31400082
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C2102.合成生物学与生物改造技术
  • 结题年份:
    2017
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2017-12-31

项目摘要

Interest in this bioprocess has increased remarkably because 2,3-butanediol (2,3-BD) has a large number of industrial applications, and microbial production will alleviate the dependence on oil supply for the production of platform chemicals. Additionally, 2,3-BD has potential applications in the manufacture of printing inks, perfumes, fumigants, moistening and softening agents, explosives, plasticizers, foods, and pharmaceuticals. So far, absolutely unbeatable in efficient production of 2,3-BD are Klebsiella and Serratia marcescens. It is important to note that mainly class 2 (pathogenic) microorganisms are employed in the 2,3-BD fermentation. Industrial-scale fermentation requires obeying safety regulations, which implies that class 2 microorganisms are unwanted in such applications. In our previous study, a class 1 (safe) strain of Bacillus amyloliquefaciens producing 2,3-BD designated as B10-127 was isolated in our lab. However, B. amyloliquefaciens fermentation yields large quantities of acetoin, lactate and succinate as by-products, and the 2,3-BD yield remains prohibitively low for commercial production. Low levels of NADH may limit the BDH reaction, since this coenzyme is preferentially used in 2,3-BD synthesis. Based on this perspective, we designed a combinatorial regulation of cofactor engineering for effective improvement of 2,3-BD production while inhibiting the accumulation of unwanted by-products.
2,3-丁二醇是一种重要的四碳平台化合物,被广泛应用于化工、食品、医药、燃料及航空航天等多个领域。微生物法生产2,3-丁二醇已成为国内研究的热点之一。2,3-丁二醇高产菌株为克雷伯氏菌属和沙雷氏菌属,但这些菌具有潜在的致病性, 难以符合生物技术产业化安全生产的要求。本项目以安全菌株解淀粉芽孢杆菌为生产2,3-丁二醇的出发菌,但该菌株在发酵过程中会有一定量的2,3-丁二醇前体物质乙偶姻等副产物的积累。而影响乙偶姻向2,3-丁二醇转化的重要因素是辅因子NADH水平和NADH/NAD+再生效率。因此,针对前体物质乙偶姻过量积累的现象,解析解淀粉芽孢杆菌产物积累和辅因子代谢的相互关系。在此基础上,通过理性设计、定点改造、基因敲除等手段进行与辅因子再生相关的关键酶的分子改造,提出通过组合调控解淀粉芽孢杆菌胞内辅因子NADH/NAD+强化2,3-丁二醇合成和抑制前体物质乙偶姻积累的策略,并构建高产和单

结项摘要

生物能源作为可再生能源,有望减少能源供给对石油的依赖程度。2,3-丁二醇作为一种重要的生物基四碳平台化合物,广泛应用于化工、能源、燃料等多个领域。课题针对解淀粉芽孢杆菌发酵过程中2,3-丁二醇前体物质乙偶姻过量积累的现象,通过组合调控胞内辅因子NADH/NAD+的策略,就如何减少副产物乙偶姻的积累和提高2,3-丁二醇产量的分子机制进行深入研究。具体结论如下:.(1)通过添加不同氧化还原态态底物、引入甲酸/甲酸脱氢酶NADH再生体系和敲除NADH氧化酶基因,可以调控芽孢杆菌胞内辅因子的种类和水平,从而可使芽孢杆菌选择性的积累乙偶姻或2,3-丁二醇。.(2)通过过量共表达芽孢杆菌的NAD+依赖型的3-磷酸甘油醛脱氢酶和NADH依赖型2,3-丁二醇脱氢酶,强化了辅酶NAD+/NADH循环再生效率,成功的提高了发酵液中2,3-丁二醇的产量和生产强度,显著降低了乙偶姻等副产物积累。.(3)通过适度表达2,3-丁二醇合成支路中关键酶α-乙酰乳酸合成酶和α-乙酰乳酸合成酶调控因子ALsR,增强了从丙酮酸到2,3-丁二醇合成途径的代谢流通量;阻断磷酸戊糖途径(PPP)中的关键酶葡糖糖-6-磷酸脱氢酶,使代谢更多地流向EMP途径,同时增强胞内的NADH的水平,进一步提高2,3-BD的产量。.本研究通过组合调控芽孢杆菌胞内辅因子NADH/NAD+调控策略,成功解析了强化2,3-丁二醇生物合成的分子机制,为芽孢杆菌胞内辅因子调控策略提供借鉴。在项目资助期间,在Critical Reviews in Biotechnology, Biotechnology Biofuels, Microbial Cell Factories等期刊发表与本项目相关的论文6篇,其中SCI论文5篇(IF>5的2篇,IF>3的4篇);申请相关专利10项,其中申请国际专利1项,授权专利3项。通过发酵工艺控制优化,2,3-丁二醇产量处于国际先进水平。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(10)
增强胞内NDAH水平和乙偶姻还原酶活力提高2,3-丁二醇产量
  • DOI:
    10.13523/j.cb.20160608
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    中国生物工程杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    胡桂元;杨套伟;饶志明;刘梅;徐美娟;张显
  • 通讯作者:
    张显
Economic conversion of spirit-based distillers’ grain to 2,3-butanediol by Bacillus amyloliquefaciens
利用解淀粉芽孢杆菌将酒精酒糟经济转化为 2,3-丁二醇
  • DOI:
    10.1016/j.procbio.2014.11.006
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Process Biochemistry
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    Yang Taowei;Rao Zhiming;Zhang Xian;Xu Meijuan;Xu Zhenghong;Yang Shang-Tian
  • 通讯作者:
    Yang Shang-Tian
Enhanced 2,3-butanediol production from biodiesel-derived glycerol by engineering of cofactor regeneration and manipulating carbon flux in Bacillus amyloliquefaciens
通过辅因子再生工程和控制解淀粉芽孢杆菌中的碳通量提高生物柴油衍生甘油的 2,3-丁二醇产量
  • DOI:
    10.1186/s12934-015-0317-2
  • 发表时间:
    2015-08-22
  • 期刊:
    Microbial Cell Factories
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Yang T;Rao Z;Zhang X;Xu M;Xu Z;Yang ST
  • 通讯作者:
    Yang ST
Metabolic engineering strategies for acetoin and 2,3-butanediol production: Advances and prospects
乙偶姻和 2,3-丁二醇生产的代谢工程策略:进展和前景
  • DOI:
    dx.10.1080/07388551.2017.1299680
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Critical Reviews in Biotechnology
  • 影响因子:
    9
  • 作者:
    Yang Taowei;Rao Zhiming;Zhang Xian;Xu Meijuan;Xu Zhenghong;Yang Shang-Tian
  • 通讯作者:
    Yang Shang-Tian
Regulation of the NADH pool and NADH/NADPH ratio redistributes acetoin and 2,3-butanediol proportion in Bacillus subtilis
NADH 库和 NADH/NADPH 比例的调节可重新分配枯草芽孢杆菌中的乙偶姻和 2,3-丁二醇比例
  • DOI:
    10.1002/biot.201400577
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Biotechnol J
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Bao Teng;Zhang Xian;Zhao Xiaojing;Rao Zhiming;Yang Taowei;Yang Shang-Tian
  • 通讯作者:
    Yang Shang-Tian

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  • 通讯作者:
    饶志明

其他文献

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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

        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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