微生物所創製出用於高效生物製造的「Y型人工菌群」

2020-11-23 中國科學院

　　利用微生物將生物質原料轉化為燃料、材料和化學品是生物製造領域的研究熱點，其關鍵挑戰是如何實現生物質中葡萄糖等六碳糖和木糖等五碳糖的同等高效利用。

　　已經有很多研究嘗試對單一菌株的代謝途徑進行改造，或採用不同的菌株進行分工合作，以實現五、六碳糖的同步利用。但受限於五碳糖不能被高效利用，目標化學品的生產效率普遍不高。

　　近年來，隨著合成生物學的快速發展和微生物組計劃的提出，合成微生物組也在加速發展。為了實現生物質原料中五、六碳糖組分的同等高效利用，中國科學院微生物研究所李寅課題組提出了創製「Y型人工菌群」的新概念（如圖）。Y型人工菌群由兩株源於同一出發菌株、能夠生產同樣目標產物的工程菌株構成。Y型的兩個「頭部」代表五、六碳糖的代謝途徑，一個「身體」代表共同的目標產物生產途徑。

　　Y型人工菌群應當具備四個特點：（1）能同等高效代謝五、六碳糖；（2）五、六碳糖的代謝正交，互不幹擾；（3）五、六碳糖的代謝速率與目標產物生產速率匹配；（4）菌群組成菌株均為全染色體編輯，無需抗生素和誘導劑，以保持生產過程中的遺傳穩定性。

　　為測試這一概念可行性，研究人員以丁醇為目標產物，通過對大腸桿菌進行系統的代謝工程改造，創製了一個Y型人工菌群。其中一株菌為能夠優先利用六碳糖高產丁醇的大腸桿菌EB243，另外一株菌為能夠高效利用五碳糖高產丁醇的大腸桿菌EB243X。該菌群以混合糖為原料進行批式發酵，可生產約21 g/L丁醇，得率為理論值的85%，是目前報導利用混合糖生產丁醇的最高水平。

　　進一步對該Y型人工菌群進行分析發現，可通過調整兩個菌株的初始比例，使該菌群適應不同比例的五、六碳糖底物以及不同的通氣條件，故Y型人工菌群表現出較強的適應性和結構穩定性，具有工業應用的潛力。

　　這項研究是該課題組繼2017年創建全染色體編輯的高產丁醇菌株（Metabolic Engineering, 2017, 44: 284-292）後又一具有工業化潛力的研究，為利用合成微生物組思想解決五、六碳糖共利用問題提供了新思路，也為進一步降低生物法生產丁醇的成本奠定了基礎。

　　相關工作已發表在領域期刊Metabolic Engineering上，博士生趙春華和盧安達籍博士生Jean Paul Sinumvayo為該文的共同第一作者，研究員李寅和張延平為共同通訊作者。該項研究得到國家自然科學基金和「863」計劃資助。

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Y型人工菌群結構示意圖

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