北理工課題組在改造耐鹽濟(jì)州桿菌實(shí)現(xiàn)非滅菌發(fā)酵生產(chǎn)方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-05-17 供稿：生命學(xué)院 攝影：生命學(xué)院
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近日，北京理工大學(xué)霍毅欣教授團(tuán)隊(duì)在改造耐鹽濟(jì)州桿菌實(shí)現(xiàn)非滅菌發(fā)酵生產(chǎn)方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)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(shù)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(xué)品。該技術(shù)仍存在一些亟需解決的問題，例如，原材料成本價(jià)格高、滅菌過程繁瑣且能耗大、微生物污染頻繁、產(chǎn)品轉(zhuǎn)化效率低下、發(fā)酵設(shè)備昂貴、大量消耗淡水等。下一代工業(yè)生物技術(shù)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(jìn)行低成本的綠色生物制造。因此，霍毅欣團(tuán)隊(duì)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(jì)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(shí)現(xiàn)了以濟(jì)州桿菌為宿主，利用非糧生物質(zhì)菊粉為底物，進(jìn)行非滅菌發(fā)酵生產(chǎn)多種大宗化學(xué)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(jì)州桿菌實(shí)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(jì)州桿菌Jejubacter sp. L23。L23菌株為革蘭氏陰性菌，細(xì)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(jìn)行系統(tǒng)研究，開發(fā)了一系列代謝工程改造相關(guān)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(jì)州桿菌非滅菌發(fā)酵生產(chǎn)異丁醇的可能性（圖2）。
圖2 濟(jì)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(luò)，減少競爭代謝途徑的影響，使菌株更高效地合成目標(biāo)產(chǎn)物。因此，通過分析濟(jì)州桿菌的代謝網(wǎng)絡(luò)，并利用CRISPR/Cas9基因編輯系統(tǒng)，對L23菌株基因組進(jìn)行了快速且高效的改造，以獲得工程改造菌株L23R7。進(jìn)一步通過分泌表達(dá)外切菊粉酶InuAMN8，實(shí)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(jì)州桿菌作為NGIB新平臺宿主，以非糧生物質(zhì)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(xué)品
此外，在3L發(fā)酵罐中，成功提高了L23R7菌株利用菊粉進(jìn)行非滅菌發(fā)酵生產(chǎn)異丁醇的產(chǎn)量，達(dá)到41.0±1.2 g/L，為搖瓶發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的5.5倍。該產(chǎn)率為0.19g/g菊粉，達(dá)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(xiàng)工作以北京理工大學(xué)為唯一通訊單位，得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和唐山市科技計(jì)劃基金的支持。
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