代谢网络模型指导的非天然甲醇同化途径设计及构建

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21908239
  • 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:
    B0812.生物化工与合成生物工程
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

The efficient utilization of one-carbon compounds represented by methanol is of great significance to the development of China’s green economy. With natural assimilation pathways of methanol having defects as step redundancy, carbon losses and energy waste, efficient bioconversion of methanol is severely limited. In this project, we plan to design non-natural assimilation pathways of methanol that are superior to existing ones via computational systems biology. Iteration strategy of simulation and experiments will also be used to verify our pathways. Firstly, a high-quality chassis metabolic network model based on known reactions will be constructed. Selected non-natural reactions will be introduced into the chassis model, and the combinational and constraint-based algorithm will also be added to predict new pathways. Secondly, the thermal and kinetic feasibility of the pathways will be evaluated and suitable enzymes will be screened. Then, in vitro construction and optimization will be performed to verify pathway efficiency. Results obtained from experiments will be used as a feedback in the chassis model to guide next-round predictions. Eventually, the optimized non-natural assimilation pathways of methanol with less steps and less carbon losses or energy waste will be introduced into Escherichia coli to construct methanol utilization strains. The efficiency of methanol assimilation in vivo will be verified. Our preliminary results showed that the key idea of this proposal worked out just as expected. In conclusion, this project will lay a solid foundation for the efficient bio-utilization of methanol.
以甲醇为代表的碳一化合物的高效利用对于发展我国绿色经济意义重大。天然甲醇同化途径存在反应步骤多、碳损严重、能量消耗大等缺陷,是限制甲醇高效利用的重要因素。本项目拟通过计算系统生物学方法,结合模拟与实验循环迭代策略,设计并构建优于已有途径的非天然甲醇同化途径。首先,构建基于已知反应的高质量底盘代谢网络模型,将精选的非天然反应引入底盘模型,结合组合算法与约束算法进行途径预测;其次,评估途径的热力学和动力学可行性,挖掘途径相关酶;然后,进行体外组装及优化,验证途径效率,并将结果反馈模型,进而指导下一轮预测;最终,将优选的步骤短、碳损少、能耗低的非天然甲醇同化途径导入大肠杆菌细胞中,构建甲醇利用菌株,验证其实际甲醇同化效率。本项目已通过预研打通了关键技术障碍,预期成果将为甲醇高效生物利用奠定重要基础。

结项摘要

以甲醇为代表的碳一化合物的高效利用对于发展我国绿色经济意义重大。然而,天然碳一同化途径存在反应步骤多、碳损严重、能量消耗大等缺陷,是限制甲醇高效利用的重要因素。本项目过计算系统生物学方法,设计并构建优于已有途径的非天然甲醇同化途径。首先,本研究开发了非天然途径设计算法comb-FBA,并基于该算法对生化反应数据库MetaCyc和非天然反应数据库ATLAS进行碳一利用途径的系统计算挖掘,得到59条无碳损和能耗的目标途径。然后,通过动力学建模对途径进行分析,筛选得到3条有潜力的非天然人工途径,通过新酶挖掘、产物谱鉴定确定了碳一利用新途径GAA,通过酶和底物的分步添加,降低甲醛对多酶体系的毒害作用。通过上述多步优化,使人工途径GAA的实际效率提升至88%,超过已知的MCC途径80%的碳得率。进一步通过算法循环迭代,进行第二轮途径预测,得到9条新途径,并验证获得了GAPA途径,其碳转化效率进一步提升至90%。最后,在大肠杆菌中进行了碳一途径的体内构建。本项目通过comb-FBA算法开发、途径计算、实验验证,获得了多条无碳损、无能耗的新型碳一转化途径,并实验验证了四条途径的可行性,其中两条途径具有较高的转化效率,为非天然途径的系统挖掘和理性设计提供了可行方法和范例。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
Reconstruction of a Genome-Scale Metabolic Network for Shewanella oneidensis MR-1 and Analysis of its Metabolic Potential for Bioelectrochemical Systems.
希瓦氏菌 MR-1 基因组规模代谢网络的重建及其生物电化学系统的代谢潜力分析
  • DOI:
    10.3389/fbioe.2022.913077
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    FRONTIERS IN BIOENGINEERING AND BIOTECHNOLOGY
  • 影响因子:
    5.7
  • 作者:
    Luo, Jiahao;Yuan, Qianqian;Mao, Yufeng;Wei, Fan;Zhao, Juntao;Yu, Wentong;Kong, Shutian;Guo, Yanmei;Cai, Jingyi;Liao, Xiaoping;Wang, Zhiwen;Ma, Hongwu
  • 通讯作者:
    Ma, Hongwu
Transcriptome analysis reveals the roles of nitrogen metabolism and sedoheptulose bisphosphatase pathway in methanol-dependent growth of Corynebacterium glutamicum.
转录组分析揭示氮代谢和景天庚酮糖双磷酸酶途径在谷氨酸棒杆菌甲醇依赖性生长中的作用
  • DOI:
    10.1111/1751-7915.13863
  • 发表时间:
    2021-07
  • 期刊:
    Microbial biotechnology
  • 影响因子:
    5.7
  • 作者:
    Fan L;Wang Y;Qian J;Gao N;Zhang Z;Ni X;Sun L;Yuan Q;Zheng P;Sun J
  • 通讯作者:
    Sun J
Adaptive laboratory evolution enhances methanol tolerance and conversion in engineered Corynebacterium glutamicum
含有调节突变的多个祖先单倍型累积地促成影响鸡生长性状的QTL
  • DOI:
    10.1038/s42003-020-01199-3
  • 发表时间:
    2020-05-07
  • 期刊:
    COMMUNICATIONS BIOLOGY
  • 影响因子:
    5.9
  • 作者:
    Wang, Yu;Fan, Liwen;Ma, Yanhe
  • 通讯作者:
    Ma, Yanhe
Rewiring the native methanol assimilation metabolism by incorporating the heterologous ribulose monophosphate cycle into Methylorubrum extorquens
通过将异源核酮糖单磷酸循环纳入甲基红红菌中,重新连接天然甲醇同化代谢
  • DOI:
    10.1016/j.ymben.2021.01.009
  • 发表时间:
    2021-02-05
  • 期刊:
    METABOLIC ENGINEERING
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Yuan, Xiao-Jie;Chen, Wen-Jing;Yang, Song
  • 通讯作者:
    Yang, Song
数字细胞模型的研究及应用
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    生物工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    袁倩倩;毛志涛;杨雪;廖小平;马红武
  • 通讯作者:
    马红武

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  • 通讯作者:
    韩淑晓

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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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