微生物所合作建立新的穀氨酸棒桿菌基因組規模代謝網絡模型

2021-01-14 中國生物技術信息網

基因組規模代謝網絡模型（Genome-scale metabolic model，GEM），包含細胞內部發生的全部已知的生化反應，從細胞整體水平研究各組成部分之間的相互作用關係，分析代謝網絡的結構和功能，從全局規模上深刻認識和理解細胞內的調控機制，並能夠指導高效、定向調控微生物代謝網絡，實現特定的生理功能。因此，亟需建立一個穀氨酸棒桿菌的基因組規模代謝網絡模型，利用計算機模擬、定量分析代謝通量以及定性分析細胞生長表型，指導設計目的產物的代謝工程改造。

中國科學院微生物研究所溫廷益研究組與北京化工大學譚天偉研究組合作建立了一個新的穀氨酸棒桿菌的基因組規模代謝網絡模型iCW773，其中包含了773個基因，950個代謝產物和1207個生化反應。通過精煉集成反應，平衡反應式中代謝物的電荷和質量，利用吉布斯自由能ΔrG'限定反應方向，該網絡模型能夠準確模擬預測穀氨酸棒桿菌利用不同碳源生長的比生長速率和在以葡萄糖為唯一碳源生長的胞內代謝通量分布；利用OptForcemust算法，分析比較了野生型和高產l-賴氨酸、l-纈氨酸和l-絲氨酸工程菌之間各個網絡代謝節點的代謝通量區間的重合度，所獲得的代謝工程改造靶點及其改造方式與實驗結果完全一致；通過添加異源合成途徑，建立了穀氨酸棒桿菌合成1,2-丙二醇和異丁醇的代謝網絡，發現了有利於1,2-丙二醇和異丁醇合成的新的代謝改造靶點，證明了iCW773用於目標產物的代謝網絡設計的實用性；最後通過乾濕法結合，從頭設計並構建了一株l-脯氨酸工程菌，通過發酵罐連續補料發酵，工程菌的l-脯氨酸產量達到66.43 g/L，糖酸轉化率0.26 g/g，生產強度1.11 g/L/h，是目前已報導的在以葡萄糖為唯一碳源的基本培養基中發酵生產l-脯氨酸的最高轉化率和生產強度。

該研究所構建的基因組規模代謝網絡模型能夠提供一個高效的研究預測平臺，有利於在系統生物學水平加深對穀氨酸棒桿菌的代謝網絡的理解，為利用該菌作為細胞工廠合成具有不同代謝途徑化合物提供了一種高效的技術工具，並為一些生物基化學品的人工合成網絡的設計改造奠定了研究基礎。

該研究已於6月30日正式發表在Biotechnology for Biofuels，微生物所博士生張宇為該文的第一作者，北京化工大學生科院博士生蔡敬一和中國工程院院士譚天偉為共同作者，副研究員張芸與研究員溫廷益為共同通訊作者。該研究得到國家高技術研究發展計劃（「863」計劃）（2014AA021203）、中科院科技服務網絡計劃（STS計劃）（KFJ-STS-QYZD-047和KFJ-EW-STS-078）和國家自然科學基金（31570074、21390202和21436002）的資助。

圖1 穀氨酸棒桿菌的中心代謝網絡

圖2 基於GEM構建的l-脯氨酸工程菌的生理代謝分析。a. l-脯氨酸工程菌的搖瓶發酵；b. 幹法分析ACONTa (b) 的通量對胞內其它代謝通量的影響；c. l-脯氨酸合成相關基因的轉錄水平分析

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