北理工在利用基因線路調(diào)節(jié)微生物耐熱性方面取得重要研究進展
發(fā)布日期：2016-04-12 供稿：生命學院 許可 賈海洋
編輯：生命學院 劉惠康 閱讀次數(shù)：
在國家自然科學基金面上項目,、國家杰出青年科學基金和國家“973”計劃等項目的資助下,，北理工生命學院李春教授課題組利用合成生物學和系統(tǒng)生物學方法設計并構(gòu)建了微生物智能熱量調(diào)節(jié)引擎（Intelligent Microbial Heat Regulating Engine，IMHeRE圖1）,，并將其應用于大腸桿菌的耐熱及其氨基酸合成研究,，取得重要進展。
。,。眾所周知,，微生物發(fā)酵過程控制及其設備是一類高能耗的過程和裝置，發(fā)酵過程中產(chǎn)生的熱量必須通過低溫循環(huán)水帶走,。據(jù)統(tǒng)計,，目前我國的工業(yè)發(fā)酵過程中，動力費用約占發(fā)酵成本的25％～40％, 其中常用的冷卻過程每立方米發(fā)酵液每小時需耗電為1.6～2.8千瓦時,。計算發(fā)現(xiàn),，如果發(fā)酵過程控制溫度每升高2-3℃，冷卻水消耗將減少15%,。以年產(chǎn)萬噸發(fā)酵產(chǎn)品的企業(yè)計算,，僅冷卻用電可減少170-200萬千瓦時。此外,，發(fā)酵過程溫度的提高不僅可以減少發(fā)酵體系的染菌風險，也可以使微生物的發(fā)酵周期縮短,，這樣會明顯提高生產(chǎn)效率并大大降低生產(chǎn)成本,。因此，提高微生物細胞的熱響應和耐熱性對于提高生物反應效率,、降低控制過程能耗及生產(chǎn)成本至關重要,。
。,。微生物智能熱量調(diào)節(jié)引擎的設計及應用（IMHeRE）,，創(chuàng)造性地實現(xiàn)并大幅度提高了大腸桿菌的耐熱能力。IMHeRE主要包括微生物耐熱基因線路和數(shù)量調(diào)控基因線路,。耐熱線路包括從嗜熱微生物中篩選得到的熱激蛋白(HSPs)作為耐熱功能元件,，以及人工設計的RNA溫度響應開關作為調(diào)控元件，利用對不同溫度響應的RNA溫度響應開關調(diào)控在不同溫度下效果最佳的HSPs實現(xiàn)了大腸桿菌的梯級耐熱,，成功地將大腸桿菌的最適生長溫度拓寬到了37-40℃,。數(shù)量調(diào)控線路則利用微生物群體感應系統(tǒng)和RNA溫度響應設計的“與”門開關，同時響應溫度和細胞密度兩個參數(shù)來動態(tài)開啟安全可控的毒性-抗毒性系統(tǒng)（TA）,，實現(xiàn)微生物的利他性程序化死亡,，減少了代謝熱的釋放同時提高了營養(yǎng)物質(zhì)的利用率, 從而在菌群層面上提高了微生物適應熱脅迫的能力。最后,，通過兩個系統(tǒng)的協(xié)同作用,，IMHeRE提高了大腸桿菌對特定高溫以及高溫波動的適應性與魯棒性。將該引擎應用于賴氨酸40℃高溫發(fā)酵,，發(fā)現(xiàn)賴氨酸產(chǎn)量較對照組提高了5倍,，IMHeRE顯著的改善了賴氨酸菌株在高溫下的生產(chǎn)能力，提高了生產(chǎn)效率,、降低控溫能耗,。另外,，由于提高了發(fā)酵溫度，還可以節(jié)省糖化步驟之后的冷卻費用,。
,。。該成果發(fā)表在國際合成生物學頂級刊物美國化學學會ACS Synthetic Biology（2016,，DOI:10.1021/acssynbio.5b00158）上,，并被C&EN在2016年2月作為重要科研進展進行新聞報道（http://cen.acs.org/articles/94/web/2016/02/ Gene-Circuit-Boosts-High-Temperature.html?type=paidArticleContent, 圖2）。該方法也已申請國家發(fā)明專利（CN105002188A）,。
,。。李春教授課題組自2005年在北理工成立以來,，專注于生物轉(zhuǎn)化與合成生物系統(tǒng)的研究,，已在AIChE J、Chem Eng Sci,、IECR,、Chem Eng J、ACS Synth Biol,、J Biotech,、Bioresources Techol、Small和Chem Comm等有影響的化學工程與生物工程領域刊物上發(fā)表相關文章90余篇,，獲授權(quán)發(fā)明專利20項,。課題組致力于利用人工細胞合成技術(shù)和酶催化技術(shù)革新生物制造過程，繼續(xù)開展天然產(chǎn)物合成途徑的構(gòu)建,、路徑的優(yōu)化與精確調(diào)控和生物過程集成的研究,，為實現(xiàn)綠色、高效的生物藥物,、生物基化學品的生物制造提供新思路和新方法,。
圖1 微生物智能熱量調(diào)節(jié)引擎（IMHeRE）
。,。眾所周知,，微生物發(fā)酵過程控制及其設備是一類高能耗的過程和裝置，發(fā)酵過程中產(chǎn)生的熱量必須通過低溫循環(huán)水帶走,。據(jù)統(tǒng)計,，目前我國的工業(yè)發(fā)酵過程中，動力費用約占發(fā)酵成本的25％～40％, 其中常用的冷卻過程每立方米發(fā)酵液每小時需耗電為1.6～2.8千瓦時,。計算發(fā)現(xiàn),，如果發(fā)酵過程控制溫度每升高2-3℃，冷卻水消耗將減少15%,。以年產(chǎn)萬噸發(fā)酵產(chǎn)品的企業(yè)計算,，僅冷卻用電可減少170-200萬千瓦時。此外,，發(fā)酵過程溫度的提高不僅可以減少發(fā)酵體系的染菌風險，也可以使微生物的發(fā)酵周期縮短,，這樣會明顯提高生產(chǎn)效率并大大降低生產(chǎn)成本,。因此，提高微生物細胞的熱響應和耐熱性對于提高生物反應效率,、降低控制過程能耗及生產(chǎn)成本至關重要,。
。,。微生物智能熱量調(diào)節(jié)引擎的設計及應用（IMHeRE）,，創(chuàng)造性地實現(xiàn)并大幅度提高了大腸桿菌的耐熱能力。IMHeRE主要包括微生物耐熱基因線路和數(shù)量調(diào)控基因線路,。耐熱線路包括從嗜熱微生物中篩選得到的熱激蛋白(HSPs)作為耐熱功能元件,，以及人工設計的RNA溫度響應開關作為調(diào)控元件，利用對不同溫度響應的RNA溫度響應開關調(diào)控在不同溫度下效果最佳的HSPs實現(xiàn)了大腸桿菌的梯級耐熱,，成功地將大腸桿菌的最適生長溫度拓寬到了37-40℃,。數(shù)量調(diào)控線路則利用微生物群體感應系統(tǒng)和RNA溫度響應設計的“與”門開關，同時響應溫度和細胞密度兩個參數(shù)來動態(tài)開啟安全可控的毒性-抗毒性系統(tǒng)（TA）,，實現(xiàn)微生物的利他性程序化死亡,，減少了代謝熱的釋放同時提高了營養(yǎng)物質(zhì)的利用率, 從而在菌群層面上提高了微生物適應熱脅迫的能力。最后,，通過兩個系統(tǒng)的協(xié)同作用,，IMHeRE提高了大腸桿菌對特定高溫以及高溫波動的適應性與魯棒性。將該引擎應用于賴氨酸40℃高溫發(fā)酵,，發(fā)現(xiàn)賴氨酸產(chǎn)量較對照組提高了5倍,，IMHeRE顯著的改善了賴氨酸菌株在高溫下的生產(chǎn)能力，提高了生產(chǎn)效率,、降低控溫能耗,。另外,，由于提高了發(fā)酵溫度，還可以節(jié)省糖化步驟之后的冷卻費用,。
,。。該成果發(fā)表在國際合成生物學頂級刊物美國化學學會ACS Synthetic Biology（2016,，DOI:10.1021/acssynbio.5b00158）上,，并被C&EN在2016年2月作為重要科研進展進行新聞報道（http://cen.acs.org/articles/94/web/2016/02/ Gene-Circuit-Boosts-High-Temperature.html?type=paidArticleContent, 圖2）。該方法也已申請國家發(fā)明專利（CN105002188A）,。
圖2 C&EN新聞報道
,。。李春教授課題組自2005年在北理工成立以來,，專注于生物轉(zhuǎn)化與合成生物系統(tǒng)的研究,，已在AIChE J、Chem Eng Sci,、IECR,、Chem Eng J、ACS Synth Biol,、J Biotech,、Bioresources Techol、Small和Chem Comm等有影響的化學工程與生物工程領域刊物上發(fā)表相關文章90余篇,，獲授權(quán)發(fā)明專利20項,。課題組致力于利用人工細胞合成技術(shù)和酶催化技術(shù)革新生物制造過程，繼續(xù)開展天然產(chǎn)物合成途徑的構(gòu)建,、路徑的優(yōu)化與精確調(diào)控和生物過程集成的研究,，為實現(xiàn)綠色、高效的生物藥物,、生物基化學品的生物制造提供新思路和新方法,。
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