生物催化5-羟甲基糠醛(HMF)选择性氧化反应及其机理

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21676103
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    64.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0812.生物化工与合成生物工程
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

With depletion of fossil resources and increasing concern of biorefinery, the green production of bio-based chemicals has emerged as an interesting research field. 5-Hydroxymethylfurfural (HMF), an important bio-based platform chemical, could be readily transformed into various value-added products. However, there are limited reports about biotransformation of HMF, and the enzymes which are capable of catalyzing the efficient conversion of HMF are seldom. In this project, we’d like to use the strategy of solvent engineering to relieve the inhibitory effects of the substrate and products against the microorganisms. A comparative study of whole cells-catalyzed oxidation of HMF in different biphasic systems composed of various nonaqueous solvents and buffer will be conducted to elucidate the influential law of nonaqueous solvents on the biocatalytic performance. An efficient biocatalytic approach to the oxidized derivatives of HMF will be developed. Then, the key enzyme that is responsible for HMF oxidation will be mined, and its catalytic performances in the HMF oxidation and its structures in the nonaqueous solvents will be investigated, to understand the molecular basis of the nonaqueous solvents’ effect on the enzyme reaction. Finally, the spatial structures of the key enzyme and enzyme-substrate complex will be resolved to reveal the key amino acid residues in the substrate-binding and catalytic sites of the enzyme, thus uncovering the reaction mechanism. The present study will provide the theoretical guidance for the rational design of the new enzymes.
近年来,随着石油资源的日益枯竭和生物精炼概念的兴起,生物基化学品的绿色加工与制造已成为了一个研究热点。5-羟甲基糠醛(HMF)作为一个重要的生物基平台化合物,可转化为各种高附加值中间体。然而,国内外鲜有关于HMF生物转化的报道,且能高效催化HMF转化的酶仍很少。本项目以自行筛选得到的微生物为研究对象,借助介质工程手段解除底物及产物对微生物的抑制作用,对比研究不同非水介质/水双相体系中全细胞催化HMF氧化反应性能,阐明非水介质对全细胞催化HMF氧化反应的影响规律,建立高效合成HMF氧化衍生物的生物催化途径;在此基础上,挖掘催化HMF转化的关键酶,研究非水介质中该酶催化HMF反应性能及酶结构,揭示非水介质对该酶催化HMF氧化反应影响的分子基础;进而解析该关键酶、酶-底物复合物的三维结构,探索酶的底物键合及催化位点的关键氨基酸残基,阐明其催化机制,为后续酶分子的理性设计和分子改造提供理论指导。

结项摘要

5-羟甲基糠醛(HMF)是一个重要的生物基平台化合物,可选择性氧化为高附加值的5-羟甲基糠酸(HMFCA)和2,5-呋喃二羧酸(FDCA)。本项目从土壤中成功筛选到一株高HMF耐受性的菌株睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni) SC1588,系统地研究了其催化HMF选择性氧化合成HMFCA反应特性。并对该菌进行基因组测序,发掘出5个与HMF氧化相关的醛脱氢酶,阐明了其催化HMF氧化机制。借助基因工程手段,在大肠杆菌中进行异源表达、分离纯化和酶学性质研究;同时探索了重组大肠杆菌催化HMF氧化性能,结果表明过量表达醛脱氢酶的重组菌能够更高效地催化HMF及糠醛等的选择性氧化合成相应的呋喃羧酸。对过量表达醛脱氢酶的大肠杆菌进行辅因子工程化改造,通过共表达NAD(P)H氧化酶(NOX)促进胞内NAD+再生,从而极大地增强了重组菌催化生物基呋喃氧化性能,建立高效合成呋喃羧酸的生物催化体系。E. coli_CtVDH1_NOX能在9 h内将250 mM HMF转化为HMFCA,时空产率达3.7 g/L h;E. coli_CtVDH2_NOX合成5-甲氧甲基糠酸的时空产率达5.6 g/L h。将HmfH引入上述重组菌,构建了一个高效合成FDCA的生物催化剂,其合成FDCA的时空产率达0.4 g/L h,产率约为92%。本研究可望为生物催化呋喃羧酸合成的大规模应用奠定基础。此外,我们还探索了血红蛋白和肌红蛋白的催化多功能性,并基于该催化多功能性构建了全新的NAD(P)+原位再生体系,用于醇脱氢酶催化氧化。以葡萄糖脱氢酶催化葡萄糖氧化为模型反应,当葡萄糖浓度达500 mM,目标产物收率达97%,辅因子总转化数(TTN)高达50 000。该NAD(P)+再生体系有望替代NOX用于脱氢酶催化氧化。

项目成果

期刊论文数量(12)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(6)
Furan Carboxylic Acids Production with High Productivity by Cofactor-engineered Whole-cell Biocatalysts
通过辅因子设计的全细胞生物催化剂高产呋喃羧酸
  • DOI:
    10.1002/cctc.202000259
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    ChemCatChem
  • 影响因子:
    4.5
  • 作者:
    Zhang Xue-Ying;Wang Xin;Li Nan-Wei;Guo Ze-Wang;Zong Min-Hua;Li Ning
  • 通讯作者:
    Li Ning
One-Pot Enzyme Cascade for Controlled Synthesis of Furancarboxylic Acids from 5-Hydroxymethylfurfural by H2O2 Internal Recycling
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2019-11-08
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Jia, Hao-Yu;Zong, Min-Hua;Li, Ning
  • 通讯作者:
    Li, Ning
Efficient synthesis of 5-hydroxymethyl-2-furancarboxylic acid by Escherichia coli overexpressing aldehyde dehydrogenases
过表达醛脱氢酶的大肠杆菌高效合成5-羟甲基-2-呋喃甲酸
  • DOI:
    10.1016/j.jbiotec.2019.11.007
  • 发表时间:
    2020-01-10
  • 期刊:
    JOURNAL OF BIOTECHNOLOGY
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Zhang, Xue-Ying;Ou, Xiao-Yang;Li, Ning
  • 通讯作者:
    Li, Ning
Significantly improved oxidation of bio-based furans into furan carboxylic acids using substrate-adapted whole cells
使用底物适应的全细胞显着改善生物基呋喃氧化成呋喃羧酸
  • DOI:
    10.1016/j.jechem.2019.04.025
  • 发表时间:
    2020-02
  • 期刊:
    Journal of Energy Chemistry
  • 影响因子:
    13.1
  • 作者:
    Wen Mao;Zhang Xue-Ying;Zong Min-Hua;Li Ning
  • 通讯作者:
    Li Ning
Myoglobin-Catalyzed Efficient In Situ Regeneration of NAD(P)+ and Their Synthetic Biomimetic for Dehydrogenase-Mediated Oxidations
肌红蛋白催化 NAD(P) 的有效原位再生及其用于脱氢酶介导氧化的合成仿生剂
  • DOI:
    10.1021/acscatal.8b04890
  • 发表时间:
    2019-03-01
  • 期刊:
    ACS CATALYSIS
  • 影响因子:
    12.9
  • 作者:
    Jia, Hao-Yu;Zong, Min-Hua;Li, Ning
  • 通讯作者:
    Li, Ning

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    李宁;张伟;李贵贤;赵鹬
  • 通讯作者:
    赵鹬

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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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