海洋假單胞菌將木質素轉化為生物塑膠的遺傳解析

《海洋假單胞菌將木質素轉化為生物塑膠的遺傳解析》是依託浙江大學，由林璐擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：海洋假單胞菌將木質素轉化為生物塑膠的遺傳解析
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：林璐
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

木質素是地球上第二大豐富生物質，由於結構複雜，難以被使用。因此，其高值化利用一直是制約木質纖維素生物煉製發展的關鍵瓶頸之一。申請人前期已從海洋中篩選到一株使用木質素產生物塑膠的假單胞菌A514。基因組和蛋白質組研究表明A514使用染料過氧化物酶和芬頓反應協同解聚木質素，並具備多種芳香族化合物的代謝途徑。以此為基礎，本項目將使用系統生物學與基因組工程相結合的研究方法對A514產能機制進行遺傳解析。首先通過在不同氮濃度下的轉錄組研究，結合前期組學結果，利用隨機矩陣算法，闡明木質素到生物塑膠的分子調控機制，以此指導主要代謝途徑的（木質素解聚、芳香族化合物代謝、生物塑膠合成）系統設計與改造，從基因組水平最佳化和重構A514代謝網路，構建高效的木質素制生物塑膠工程菌株。該研究將為建立起高效木質素生物煉製平台奠定基礎，為最大化持續發展木質纖維素生物煉製和降解海洋中與木質素結構類似的有機污染物提供新視角。

結題摘要

木質素是地球上第二大豐富生物質，由於結構複雜，難以被使用。因此，其高值化利用一直是制約木質纖維素生物煉製發展的關鍵瓶頸之一。申請人前期已從海洋中篩選到一株使用木質素合成生物塑膠（PHA）的假單胞菌。但較低的轉化率限制了其套用。目前細菌以木質素為底物,合成PHA的酶系，代謝途徑以及遺傳機理都不清楚，使得我們無法對其合理遺傳改造以提高轉化率。本項目圍繞上述科學問題開展。首先，通過基因組和蛋白質組學數據分析，揭示假單胞菌以染料脫色過氧化物酶為主要木質素解聚酶系，並實驗驗證其獨特的木質素解聚活性。其次，上述研究還指出了假單胞菌有限的胞外分泌能力是限制其木質素降解的主要屏障之一。故本研究通過不同的分泌策略，分泌表達了假單胞菌所缺乏的另一種木質素解聚酶漆酶，發現了不同形態的胞外酶對木質素解聚作用不同。第三，開發了適用於假單胞菌的高效的CRISPR-Cas9n基因編輯技術。第四，在上述工作基礎上，發現阿魏酸是假單胞菌木質素解聚後主要芳香族物質之一。故通過基因編輯技術整合了含有九個基因的四個功能模組，提高了阿魏酸至PHA的轉化。第五，系統考察了不同氮濃度下的PHA合成基因的轉錄水平，結合基因組和蛋白質組學數據，提出了一個經實驗驗證的同時提高細胞生長和PHA產量的策略。通過該策略，以木質素衍生體香草酸為底物，PHA產量可達到246 mg/L。最後，由於PHA合成與氮代謝密切相關，而目前缺乏氮代謝功能基因資料庫，故本項目還構建了一個用於快速準確地進行氮循環基因分析的資料庫NCycDB，解決搜尋效率較低，基因家族同源性低，以及參與氮循環基因的測序序列覆蓋率低等問題。目前已發表SCI論文3篇，還有2篇在同行評議中。培養2名博士生和1名碩士生。多次在國際學術會議上做口頭報告。