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北理工課題組在改造耐鹽濟州桿菌實現(xiàn)非滅菌發(fā)酵生產(chǎn)方面取得重要進展


近日,js5金沙2004cm霍毅欣教授團隊在改造耐鹽濟州桿菌實現(xiàn)非滅菌發(fā)酵生產(chǎn)方面取得重要進展。相關研究成果以“Rapidly engineering an osmotic-pressure-tolerant gut bacterium for efficient non-sterile production of bulk chemicals”為題,在頂級期刊《Chemical Engineering Journal》(影響因子:15.1)上發(fā)表(doi.org/10.1016/j.cej.2024.152076)。

傳統(tǒng)工業(yè)生物技術依賴于農(nóng)業(yè)原材料和高溫滅菌的生物過程來生產(chǎn)大宗化學品。該技術仍存在一些亟需解決的問題,例如,原材料成本價格高、滅菌過程繁瑣且能耗大、微生物污染頻繁、產(chǎn)品轉化效率低下、發(fā)酵設備昂貴、大量消耗淡水等。下一代工業(yè)生物技術可以基于極端微生物,比如嗜鹽菌,在開放的非滅菌環(huán)境下發(fā)酵生產(chǎn),并使用可再生資源的原料來進行低成本的綠色生物制造。因此,霍毅欣團隊首次開發(fā)了一種類似大腸桿菌的易于工程改造的新型耐鹽微生物平臺,濟州桿菌 Jejubacter sp. L23。并通過生物合成途徑和宿主代謝途徑等多方面工程改造,成功實現(xiàn)了以濟州桿菌為宿主,利用非糧生物質菊粉為底物,進行非滅菌發(fā)酵生產(chǎn)多種大宗化學品,如異丁醇、( R , R )-2,3-丁二醇和番茄紅素(圖1)。

圖1 改造耐鹽濟州桿菌實現(xiàn)非滅菌發(fā)酵生產(chǎn)

本研究從超級蠕蟲Zophobas atratus腸道中分離出一株耐鹽腸道微生物,并鑒定該菌株為濟州桿菌Jejubacter sp. L23。L23菌株為革蘭氏陰性菌,細胞呈桿狀,兼性厭氧,能夠在0~12%(w/v)NaCl,10~45℃,以及pH4.0~10.0的條件下生長。并且與大腸桿菌具有高度的生理生化及遺傳相似性。通過對該菌株進行系統(tǒng)研究,開發(fā)了一系列代謝工程改造相關的基因元件、遺傳操作方法和基因編輯工具等。以α-酮異戊酸為底物,L23菌株在低鹽滅菌、高鹽滅菌以及非滅菌的條件下均可高效生產(chǎn)異丁醇。初步證明了濟州桿菌非滅菌發(fā)酵生產(chǎn)異丁醇的可能性(圖2)。

圖2 濟州桿菌的非滅菌發(fā)酵生產(chǎn)潛力、生長特性和系統(tǒng)發(fā)育分析

對微生物基因組的改造可以調(diào)整菌株的代謝網(wǎng)絡,減少競爭代謝途徑的影響,使菌株更高效地合成目標產(chǎn)物。因此,通過分析濟州桿菌的代謝網(wǎng)絡,并利用CRISPR/Cas9基因編輯系統(tǒng),對L23菌株基因組進行了快速且高效的改造,以獲得工程改造菌株L23R7。進一步通過分泌表達外切菊粉酶InuAMN8,實現(xiàn)了L23R7菌株以菊粉為底物分別生產(chǎn)7.4±0.2g/L異丁醇、7.7±0.8g/L ( R , R )-2,3-丁二醇或68.8±3.1mg番茄紅素/gDCW。證明了濟州桿菌作為NGIB新平臺宿主,以非糧生物質菊粉為底物,非滅菌發(fā)酵生產(chǎn)多種高附加值化合物的潛力(圖3)。

圖3 L23R7工程改造菌利用菊粉非滅菌發(fā)酵生產(chǎn)多種大宗化學品

此外,在3L發(fā)酵罐中,成功提高了L23R7菌株利用菊粉進行非滅菌發(fā)酵生產(chǎn)異丁醇的產(chǎn)量,達到41.0±1.2 g/L,為搖瓶發(fā)酵實驗的5.5倍。該產(chǎn)率為0.19g/g菊粉,達到最大理論產(chǎn)率的45.5%。證明了工程改造菌株L23R7具有工業(yè)化生產(chǎn)異丁醇的極大潛力(圖4)。

圖4 在3 L發(fā)酵罐中以菊粉為底物非滅菌發(fā)酵生產(chǎn)異丁醇

此項工作以js5金沙2004cm為唯一通訊單位,得到了國家重點研發(fā)計劃和唐山市科技計劃基金的支持。


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