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我校陳堅院士團隊劉延峯研究員課題組在Nature Communications發表關於細胞生長與產物合成平衡調控的研究成果

發佈日期:2020-10-09  來源:生物工程學院   圖/文:田榮臻、劉延峯 審核:王維

近日我校生物工程學院陳堅院士團隊劉延峯研究員課題組在微生物細胞生長與產物合成精準調控方面取得重要進展,研究成果“Titrating bacterial growth and chemical biosynthesis for efficientN-acetylglucosamine andN-acetylneuraminic acid bioproduction”於10月8日發表在《Nature Communications》(Nat. Commun., 2020, 11: 5078)。

目標化學品的生物合成往往與微生物細胞生長競爭資源,如何平衡細胞的生長與產物合成是構建高效代謝工程菌株的核心問題之一。針對此問題,目前已經發展出多種代謝工程策略。例如,基於遺傳回路的細胞生長與生物合成解耦合、基於途徑重構的細胞生長與生物合成耦合以及平行代謝途徑工程。這些策略能在一定程度上實現細胞生長與產物合成的重分配,但是針對不同產物需要大量“試錯性”基因迴路設計,同時途徑重構基因迴路調控過程會受到胞內複雜代謝環境的潛在干擾。因此,亟需設計一種普適性高且魯棒性好的細胞生長和生物合成平衡策略。

在該研究中,為了擴展細胞生長調控方法適用範圍侷限並且避免胞內代謝物干擾的問題,研究人員引入了基於密碼子擴展的正交翻譯系統。該系統可以實現在代謝流調控和細胞生長關鍵酶中插入非天然氨基酸(ncAA),並通過“精確滴定”非天然氨基酸來“精準控制”代謝流量和細胞生長。研究人員分別在基因組重編碼的大腸桿菌與基因組未重編碼的枯草芽孢桿菌中進行了測試。通過精確控制ncAA(pAcF)添加,產N-乙酰氨基葡萄糖(乙酰氨糖)的大腸桿菌細胞生長與乙酰氨糖合成同時改善,菌株OD600提高2.1倍,乙酰氨糖產量提高4.5倍。在枯草芽孢桿菌中,研究人員結合理性設計與非理性篩選,首先成功構建了ncAA高效利用系統,實現約80倍的基因表達水平激活。然後,通過精確控制ncAA(OMeY)添加,實現了產N-乙酰神經氨酸(燕窩酸)重組枯草芽孢桿菌的最大比生長速率的精準控制,燕窩酸產量提高2.2倍,副產物乙偶姻產量降低87.2%。最後,研究人員擴展了細胞生長精準調控系統的應用規模與應用功能,分別實現了3 L發酵罐中燕窩酸產量提升3倍(至9.7 g/L)與重組枯草芽孢桿菌的“生物封存” (避免重組菌逃逸至自然環境中繁殖),為生長與代謝精準可控高版本底盤細胞創建提供了新策略。

陳堅院士和劉延峯研究員為該論文的共同通訊作者,江南大學18級博士生田榮臻為該論文的第一作者。上述研究工作得到了國家重點研發計劃項目(2018YFA0900300)、國家自然科學基金(31972854)、中央高校基本科研專項資金(JUSRP22036)、“輕工技術與工程”國家一流學科項目(LITE2018-16)和江蘇省研究生科研創新計劃(JNKY19_015)的資助。

論文鏈接://www.nature.com/articles/s41467-020-18960-1

基於密碼子拓展的細胞生長與產物合成精確調控

閲讀( (編輯:王能文)

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