以异亮氨酰-tRNA合成酶为例构建一类新型氨基酸生物传感器

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31870081
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    59.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C0105.微生物学新技术与新方法
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

It is an efficient way to construct amino acid-producing strains by high-throughput screening with the aid of amino acid biosensors. However, most of the known biosensors have shortcomings of recognizing not only one amino acids, and/or responding to only a limited range of amino acid concentrations, and/or taking a long route to respond to the amino acids. The shortcomings can lead to high false positive rate during strain screenings, and therefore hinder the usage of the biosensors as a powerful tool to accelerate strain construction processes. In this project, by changing the characteristics of aminoacyl-tRNA synthetases (AARS), we are planning to construct a new kind of amino acid biosensors. The AARS based biosensors can couple the amino acid productivity with the cell growth rate, making it convenient to enrich high-producing strains from genetically modified or randomly mutated cells. Isoleucyl-tRNA synthetase (IleRS) will be taken as an example to construct an isoleucine biosensor. IleRS mutants will be obtained by in vivo selection and in vitro characterization. The Km(Ile) value of the mutants should be ranging from several to tens mM, and the other characteristics should not change too much. After constitutively expressed at different levels, the sensitivities of the IleRS mutant-based biosensors to the range of isoleucine concentrations will be determined by testing the cellular growth rates at different isoleucine levels. The sensitivity will be taken as an important parameter for introducing a suitable biosensor into a strain with known amino acid producing ability, and therefore to reduce the false positive rate of high throughput selection. Using the IleRS-based biosensor, the key enzymes of isoleucine metabolite pathway threonine dehydratase and acetolactate synthase, and an isoleucine producing strain will be improved. The successful construction of the isoleucine biosensor will prove the feasibility of using AARS to construct a new class of amino acid biosensors, which may provide a powerful tool for improving amino acid producing strains.
基于生物传感器(Biosensor)的高通量筛选技术逐渐成为氨基酸菌种构建的重要手段,目前已知的氨基酸Biosensor对氨基酸的专一性较差、或响应氨基酸的浓度范围较小、或信号响应线路长,导致假阳性率高,限制了其应用潜力。本项目将利用氨酰-tRNA合成酶(AARS)本身的优良特性,进一步对其改造构建氨基酸Biosensor,使菌株生长速率与氨基酸产量偶联。以大肠杆菌异亮氨酰-tRNA合成酶(IleRS)为例,通过体内筛选及体外表征,获得Km(Ile)值提高至几到几十mM的突变体,对不同突变体表达优化,使其适配不同异亮氨酸产量的菌株,降低假阳性率。利用IleRS突变体Biosensor对异亮氨酸代谢途径关键酶进行性能优化,对生产菌株连续进行诱变筛选,通过生长富集获得高产菌。本项目的研究将证实利用AARS构建一类较理想的新型氨基酸Biosensor的可行性,为提高氨基酸菌种的构建效率奠定基础。

结项摘要

氨基酸具有广泛用途,获取高性能微生物菌种是提高工业发酵生产水平的关键。基于生物传感器的高通量筛选可有效提高菌种水平。已知的氨基酸生物传感器种类少,特异性较差,应用受限。本研究提出了一种通过提高氨酰基-tRNA合成酶(AARS)对氨基酸的Km值,使得氨酰tRNA的合成水平受胞内氨基酸浓度控制,从而将胞内氨基酸浓度与菌株生长速度偶联,通过生长富集进行高通量筛选的策略。以大肠杆菌异亮氨酰-tRNA合成酶IleRS为例,利用Km(Ile)由3 μM变为33 mM的突变体IleRSG94R,结合异亮氨酸外排蛋白过表达,构建出专一性响应异亮氨酸、能够区分0-8g/L宽泛的异亮氨酸浓度范围的全细胞生物传感器菌株。从105级别的菌株随机突变库中传代培养富集到产量提高量2-10倍的突变株。对关键酶苏氨酸脱水酶IlvA突变库进行筛选,所获突变体活性提高20-30%。研究证明了基于AARS突变体的高通量筛选用于提高氨基酸菌种水平的可行性。项目执行过程中,我们还开发了多种氨基酸菌种的高效进化方法。包括敲除6-磷酸果糖激酶(PFK)基因,使菌株生长与外源引入的谷氨酸生产关键酶磷酸酮醇酶(PKT)活性偶联,建立了一种生长耦合进化PKT的策略,从104级别的突变库中传代富集了5个酶活提高的突变体,点突变组合PKTT2A/I6T /H260Y酶活提高了73%,使一株谷氨酸高产菌的产量和转化率分别提高了17%和18%。同时,开发了一种基于基因组复制工程的连续进化(GREACE)提高氨基酸生产菌株在发酵环境中耐受性的技术体系,用于赖氨酸高产大肠杆菌的适应性进化,所获突变体在发酵罐中产量和转化率分别提高15%和9%。解析发现speB、atpB、secY基因点突变促进菌株耐受和高产的新机制。该项目开发的氨基酸菌种高通量进化筛选技术对于提高工业菌种水平具有重要意义。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(4)
Isoleucyl-tRNA synthetase mutant based whole-cell biosensor for high-throughput selection of isoleucine overproducers.
基于异亮氨酸-tRNA 合成酶突变体的全细胞生物传感器,用于高通量选择异亮氨酸过量生产者。
  • DOI:
    10.1016/j.bios.2020.112783
  • 发表时间:
    2020-11
  • 期刊:
    Biosensors and Bioelectronics
  • 影响因子:
    12.6
  • 作者:
    Sun Xue;Li Qinggang;Wang Yu;Zhou Wenjuan;Guo Yanmei;Chen Jiuzhou;Zheng Ping;Sun Jibin;Ma Yanhe
  • 通讯作者:
    Ma Yanhe
GREACE-assisted adaptive laboratory evolution in endpoint fermentation broth enhances lysine production by Escherichia coli
GREACE 辅助的终点发酵液适应性实验室进化提高了大肠杆菌的赖氨酸产量
  • DOI:
    10.1186/s12934-019-1153-6
  • 发表时间:
    2019-06
  • 期刊:
    Microbial Cell Factories
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Wang Xiaowei;Li Qinggang;Sun Cunmin;Cai Zhen;Zheng Xiaomei;Guo Xuan;Ni Xiaomeng;Zhou Wenjuan;Guo Yanmei;Zheng Ping;Chen Ning;Sun Jibin;Li Yin;Ma Yanhe
  • 通讯作者:
    Ma Yanhe
Growth-coupled evolution of phosphoketolase to improve l-glutamate production by Corynebacterium glutamicum
磷酸酮醇酶的生长耦合进化可提高谷氨酸棒杆菌的 L-谷氨酸产量
  • DOI:
    10.1007/s00253-019-10043-6
  • 发表时间:
    2019-10-01
  • 期刊:
    APPLIED MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Dele-Osibanjo, Taiwo;Li, Qinggang;Ma, Yanhe
  • 通讯作者:
    Ma, Yanhe

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  • 通讯作者:
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    10.13349/j.cnki.jdxbn.2019.01.002
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    济南大学学报(自然科学版)
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  • 作者:
    齐方方;王子钦;李庆刚;王志;史国普;吴俊彦;李金凯
  • 通讯作者:
    李金凯

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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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