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嗜热真菌为底盘细胞发酵合成大宗化学品研究进展

嗜热真菌为底盘细胞发酵合成大宗化学品研究进展

[来源:]    [作者]    [日期:2019-02-26 07:51]    [热度:]

富马酸作为重要的有机酸,被广泛应用于工业、医药以及食品生产之中。构建以可再生碳水化合物为原料、发酵生产有机酸细胞工厂是生物制造战略性新兴产业重要内容,高温发酵体系在发酵工业中具有显著节省冷却用能、减少染菌等优势,研发大宗化学品高温发酵菌种对发酵工业节能减排具有重要意义。

嗜热真菌为底盘细胞发酵合成大宗化学品研究进展

中国科学院天津工业生物技术研究所研究员田朝光带领的微生物功能基因组研究团队,以可在45-50度发酵的高温真菌嗜热毁丝霉为研究对象,利用代谢工程技术,构建了富马酸细胞工厂。该研究设计构建了还原型TCA途径合成富马酸,利用合成生物学理念和代谢工程技术,从主要蛋白元件富马酸酶筛选,到利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术提高富马酸合成前体苹果酸供给,消除副产物代谢冗余等方面对细胞工厂底盘细胞代谢途径进行改造重构。阻断了TCA循环中富马酸转化为苹果酸,并激活乙醛酸分流以补偿TCA缺乏,使得琥珀酸进一步转化为富马酸;在此基础上,通过提升线粒体富马酸相关转运蛋白表达,进一步提升了胞质中富马酸合成水平,最终构建的SG515中富马酸的摇瓶产量为7.1g/L,5升罐发酵水平为17克/升。该研究为以嗜热真菌为底盘细胞发酵合成大宗化学品提供了新思路。


该研究得到国家自然科学基金等科技计划资助,相关研究成果发表在生物能源领域国际期刊Biotechnology for Biofuels。天津工生所副研究员李金根与天津科技大学联合培养研究生顾淑莹为论文共同第一作者,田朝光为论文通讯作者。


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构建毁丝霉基因组编辑系统,对嗜热真菌代谢工程改造

嗜热毁丝霉是一种能够快速降解纤维素和高产纤维素酶的工业丝状真菌,其分泌的木质纤维素水解酶的种类和数量相当丰富,而且高温稳定性好,因此该菌在纤维素酶生产和生物基燃料研发方面具有巨大的潜力。然而,目前针对嗜热毁丝霉本身的遗传改造技术研究较少,这极大限制了该工业真菌的应用。CRISPR/Cas9系统作为一种新兴的基因组编辑技术已经在一系列物种中成功应用,是基因组靶向修饰技术研究的新里程碑,但在嗜热真菌中发展和利用该技术尚未有报道。因此,发展嗜热毁丝霉CRISPR/Cas9编辑技术体系,不仅能够极大促进对嗜热真菌基因功能的研究,而且对嗜热真菌代谢工程改造、发酵生产生物燃料和生物基化学品都有重要意义。

嗜热真菌为底盘细胞发酵合成大宗化学品研究进展

中国科学院天津工业生物技术研究所研究员田朝光带领的微生物功能基因组研究团队以嗜热毁丝霉为研究对象,构建了基于CRISPR/Cas9的毁丝霉基因组编辑系统,采用自主挖掘的嗜热毁丝霉RNA polymerase III U6启动子,体内启动相应gRNA的转录表达,用原生质体共转化的方法将编辑系统和同源臂导入到嗜热毁丝霉中(图1),不仅同源重组效率高,而且可以同时编辑多基因位点,其中双基因缺失的同源重组效率为61-69%,三基因的同源重组效率为30%,四基因的同源重组效率为21%。利用该体系对嗜热毁丝霉纤维素酶分泌途径进行多基因编辑,可以获得纤维素酶蛋白分泌提高5倍的工程菌株(图2)。该技术体系在其他嗜热真菌(比如异梭毁丝霉)中也具有通用性。

嗜热真菌为底盘细胞发酵合成大宗化学品研究进展

该研究得到国家自然科学基金等科技计划资助,研究成果已申请中国专利,相关成果发表于国际期刊Biotechnology for Biofuels,天津工生所副研究员刘倩为论文第一作者。

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