《希瓦氏菌電子傳遞途徑改造實現微生物高效電合成研究》是依託天津大學，由宋浩擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：希瓦氏菌電子傳遞途徑改造實現微生物高效電合成研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：宋浩
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高還原度化合物的微生物合成需要大量的還原力，但碳源所含的電子有限，限制了其合成效率。微生物電合成是一種提供還原力的新方法，可以將微生物從電極獲取的電子轉化為細胞的還原力。但是，目前微生物電合成效率較低，限制了其廣泛套用。提高微生物電合成的效率要解決如何克服微生物細胞傳入和利用電子效率低等核心問題。為此，本申請提出利用合成生物學方法改造微生物的新策略：即通過蛋白酶的空間骨架聚集技術實現還原酶在細胞內膜附近的局部聚集和定位，並構建電活性生物膜，來提高希瓦氏菌電子傳入速率；同時將傳入的電子導向目標代謝途徑，通過將二氧化碳還原為Omega-3多不飽和脂肪酸加強電子利用速率。本項目從細胞膜內外雙管齊下提高電子傳入速率和利用效率，提出了微生物電合成改造的新思路；同時將合成生物學策略套用到微生物電合成研究，拓展了合成生物學的研究範疇。
結題摘要
微生物發酵是當前生化合成的研究熱點，但細胞內還原力限制了微生物發酵所需碳源的成本。微生物電合成（MES），即利用微生物吸收外界提供的電子，將高度氧化的原料在微生物胞內還原為有商業價值的化學品。然而，目前微生物電合成最大的技術瓶頸是微生物的胞外電子傳遞效率較低，限制了其電合成的效率。為實現微生物高效電合成，本申請選用希瓦氏菌作為平台菌種進行合成生物學改造，研究提高其電子傳入速率的有效方法：（1）利用合成生物學手段，促進電子從陰極到細胞傳遞並偶聯入細胞代謝。（2）通過分子生物學改造，使希瓦氏菌形成更厚、活性更高的導電生物膜。（3）利用合成生物學技術，在希瓦氏菌內整合Wood-Ljungdahl二氧化碳固定路徑和omega-3多不飽和脂肪酸合成路徑。 本基金針對Shewanella胞外電子傳遞途徑的增強和omega-3多不飽和脂肪酸的生物合成開展了一系列研究。一方面，通過在Shewanella內膜表達蛋白骨架固定消耗NAD(P)H的酶，在胞內過表達黃素（flavins）合成途徑（來自Bacillus subtilis）提高自產電子穿梭體的水平，工程設計Shewanella胞內NADH/+ pool，促進電子的胞外傳遞並高效偶聯入細胞代謝。一方面，最佳化ydeH的表達以及通過加入高導電的氧化石墨烯（GO）使Shewanella自組裝成為高導電的3D生物膜，最終拉動Shewanella的電子傳遞速率。另一方面，利用無細胞體系研究了有氧途徑和厭氧途徑中的各個酶對omega-3多不飽和脂肪酸合成的影響以及酶之間的相互作用，由此指導omega-3多不飽和脂肪酸的胞內合成。同時，利用C3N4的光電轉換能力與Rasltonian eutropha H16的H2、CO2轉化能力，構建無機-生物雜化人工光合系統，實現CO2的固定，並進一步套用到合成omega-3多不飽和脂肪酸中。 本項目所選課題為近年來合成生物學領域的新興研究熱點，通過以上技術手段，在希瓦氏菌中構建一條高速電子傳遞通道，最終實現將高氧化態的廉價碳源（CO2）轉化為高還原態的omega-3 不飽和脂肪酸。以omega-3 不飽和脂肪酸的合成為例，提出解決微生物高效電合成中的若干關鍵問題的方法，進而構建新型微生物電合成技術體系，為合成生物學和微生物電合成的學科交叉發展提供新的思路。
