2020615Biotechnology and Bioengineering》期刊以副封面(additional cover)的形式正式刊出了中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所中科院合成生物学重点实验室杨晟研究组题为“Combined evolutionary engineering and genetic manipulation improve low pH tolerance and butanol production in a synthetic microbial Clostridium community”的研究论文。

近年来,随着合成生物学和微生物组学的快速发展和深度融合,人工设计的功能菌群在在医药、食品酿造、环境保护、能源资源等领域得到广泛应用,然而人工菌群各成员未经长期互驯,种群的稳定性和成员间的协调性有待提升。

嗜纤梭菌(Clostridium cellulovorans)能将经预处理的生物质降解为葡萄糖和木糖,并利用其中的葡萄糖产丁酸等。拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii)则能同时利用葡萄糖和木糖,并转化丁酸产丁醇。在碱处理玉米芯培养基中,前者为后者提供生长必需的碳源,后者则通过将乙酸和丁酸转化为乙醇、丙酮、丁醇这3种溶剂,稳定了环境pH,使得前者能更好地生长,两种梭菌应该形成了偏利共生关系。在前期工作中,研究组完成了嗜纤维梭菌的遗传操作系统和基因编辑工具开发。并且,利用模块代谢工程改造该菌群使之能够直接利用碱处理玉米棒芯发酵产溶剂,其中主产物丁醇达到11.5 g/L,与玉米糖基发酵水平接近Wen et al. Metab. Eng. 2017。营养-解毒关系维系了嗜纤梭菌与拜氏梭菌双菌在木质纤维素料液中的稳定,但仍依赖双阶段pH控制辅助解毒(发酵前36小时pH控制在7.0),因为嗜纤维梭菌无法在低于pH 6.4的环境中很好地生产和产酶。

在本研究中,研究组致力于改善嗜纤梭菌的耐酸性能,使得该双梭菌体系能自行稳定地高产纤维素丁醇。研究组首先使用实验室驯化和失活2个细胞壁裂解酶基因的方法获得可耐受pH 6.0的嗜纤维梭菌突变株,然后过表达拜氏梭菌来源的鲱精氨酸脱亚氨基酶基因(Cbei_1922)帮助该重组菌耐受pH 5.5条件;再进一步引入丙酮丁醇梭菌来源的醇醛脱氢酶基因(Ca_p0162)使嗜纤维梭菌重组菌可在不控制pH的情况下生产1.18 g/L丁醇。最后将上述重组菌与拜氏梭菌混菌培养,在不控制pH值的情况下直接降解碱处理玉米棒芯生产丁醇3.94 g/L,产量较菌群耐酸改造前提高了4倍以上,而且菌群的种群结构更加稳定。本研究代表了自稳定菌群设计的一个重要进步。

 该研究得到了国家自然科学基金杰出青年基金等项目的资助。 
封面和论文链接:https://doi.org/10.1002/bit.27333

 1: 筋斗云的秘密——太极双菌与四碳燃料

 

 

图2: 嗜纤维梭菌耐酸改造使双梭菌体系能自行稳定地产纤维素丁醇


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