鋅離子對丙酮丁醇梭菌發酵的調控機制

《鋅離子對丙酮丁醇梭菌發酵的調控機制》是依託大連理工大學,由陳麗傑擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鋅離子對丙酮丁醇梭菌發酵的調控機制
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳麗傑

項目摘要

在利用丙酮丁醇梭菌進行批次發酵過程中，發現培養基中添加鋅離子能夠顯著縮短發酵時間，促進葡萄糖的利用及細胞生長，並強化有機酸重吸收，提高丁醇產量及丁醇產率。針對這一實驗現象，本項目擬在全局水平考察鋅離子添加對丙酮丁醇梭菌發酵過程基因表達的影響，在此基礎上鑑定並篩選關鍵調控基因及調節蛋白，系統闡釋鋅離子作用於丙酮丁醇梭菌的多效調控分子機制，建立代謝網路模型，對有機酸和溶劑代謝途徑中關鍵節點的代謝流分布進行分析，尋找代謝過程改造或調控靶點，在分子水平對丙酮丁醇梭菌進行定向改造，最終獲得具有優良發酵特性的優勢菌株。預期取得的研究進展，不僅有助於加深對鋅離子調節丙酮丁醇梭菌生理和代謝過程機理的認知，而且對構建丁醇高產菌株、提高發酵效率、降低丁醇生產成本，具有重要意義。

結題摘要

鋅（Zn2+）作為微生物細胞生命代謝必需微量營養元素及關鍵輔因子受到廣泛關注，揭示其在生物丁醇生產中對丙酮丁醇梭菌生理代謝的調控作用及機制對挖掘功能基因及建立菌株改造策略等具有重要的理論研究意義。本項目通過生物過程工程策略、胞內代謝水平分析、轉錄組學分析及基因工程改造策略等，系統闡釋鋅離子對丙酮丁醇梭菌丁醇發酵的多效調控作用及機制。通過對胞內關鍵代謝物進行LC-ESI/MS定量分析，發現鋅調控機制在代謝水平具有全局調控特性。鋅回響狀態下，中心碳代謝催化轉化加快，發酵前期胞內糖酵解代謝產物G6P、F6P、FBP與PEP以及產酸/產溶劑代謝節點產物AcCoA、AcAcCoA與BuCoA含量降低，能量代謝產物ATP及還原力NADH水平提升，促使乙醇/丁醇代謝通路提前開啟以維持胞內氧化還原平衡，進而引發胞內碳流在關鍵代謝節點處重分配。全局轉錄組學分析表明，在鋅離子回響狀態下，多種碳源（二糖、己糖及戊糖）轉運與代謝關鍵基因如葡萄糖轉運基因glcG、CAC1353與CAC1354、果糖操縱子fru以及木糖/阿拉伯糖轉運與代謝等相關14個基因轉錄水平顯著上調，糖酵解及產酸/產溶劑代謝相關13個基因轉錄水平也不同程度上調，但產氫代謝關鍵基因hydA、轉錄調控基因abrB，ctsR與hrcA以及脅迫應答基因轉錄水平下調。基於葡萄糖轉運調控策略，在丙酮丁醇梭菌中分別過表達glcG、CAC1353及CAC1354，在基因水平驗證鋅離子調控機制。過表達CAC1353或CAC1354重組菌株生長代謝出現遲滯；過表達glcG重組菌株ABE發酵性能顯著提高，發酵周期縮短並穩定在28 h，丁醇產量及產率最高可達13.9 g/L及0.50 g/L/h，且甲酸、乙酸、丁酸及丁醇脅迫耐受性增強。胞內代謝分析表明過表達glcG在代謝水平也具有全局調控特性，引發胞內中心碳流通量與輔因子含量水平的級聯調控，影響能量代謝及氧化還原水平，證實glcG是丙酮丁醇梭菌鋅離子調控機制的有效調控基因位點。利用過表達glcG重組菌株以預處理玉米秸稈酶解液為碳源的ABE發酵，丁醇產率由0.18g/L/h提高至0.44 g/L/h，該調控策略有助於提高木質纖維素類生物質發酵生產丁醇的競爭力。