天津工生所在代謝工程改造穀氨酸棒桿菌生產L-半胱氨酸方面取得進展

2021-01-09 中國科學院

　　L-半胱氨酸是一種重要的含硫胺基酸，廣泛應用於食品、醫藥和化妝品等領域，具有廣闊的應用前景。目前，L-半胱氨酸僅能通過毛髮水解的方法生產，然而該工藝具有高汙染和低得率等缺點，限制了L-半胱氨酸的大規模生產。近年來，隨著合成生物學技術的不斷發展，利用微生物發酵法生產L-半胱氨酸的研究引起了廣泛關注。然而由於L-半胱氨酸複雜的代謝途徑和嚴謹的調控作用，通過微生物發酵法生產L-半胱氨酸的產量和得率較低，無法滿足工業化生產需求。

　　中國科學院天津工業生物技術研究所研究員劉君帶領的微生物生理和代謝工程研究組以穀氨酸棒桿菌為宿主細胞，探究了L-半胱氨酸合成瓶頸，構建了高效的L-半胱氨酸合成細胞工廠。該研究首先通過敲除半胱氨酸脫巰基酶和過表達自身的絲氨酸乙醯轉移酶（cysE），實現了L-半胱氨酸的積累。然後通過多種代謝工程策略進一步提高L-半胱氨酸的合成，包括增強關鍵酶CysE的表達強度；比較多個異源的CysE，尋找最優的候選者；過表達L-半胱氨酸合成酶增強合成通量；比較多個異源的轉運蛋白，增強L-半胱氨酸的轉運能力以及提高前體絲氨酸的供給等策略。最終獲得的工程菌株CYS-19能夠積累947.9±46.5 mg/L L-半胱氨酸，是目前報導的利用穀氨酸棒桿菌生產L-半胱氨酸的最高水平。

　　該研究獲得國家自然科學基金、天津市自然科學基金的支持，相關研究結果已發表於Applied Microbiology and Biotechnology 雜誌。天津工生所博士生魏亮和客座研究生王浩為論文共同第一作者，劉君為論文通訊作者。

　　文章連結

 

代謝工程改造穀氨酸棒桿菌生產L-半胱氨酸策略示意圖 

　　L-半胱氨酸是一種重要的含硫胺基酸，廣泛應用於食品、醫藥和化妝品等領域，具有廣闊的應用前景。目前，L-半胱氨酸僅能通過毛髮水解的方法生產，然而該工藝具有高汙染和低得率等缺點，限制了L-半胱氨酸的大規模生產。近年來，隨著合成生物學技術的不斷發展，利用微生物發酵法生產L-半胱氨酸的研究引起了廣泛關注。然而由於L-半胱氨酸複雜的代謝途徑和嚴謹的調控作用，通過微生物發酵法生產L-半胱氨酸的產量和得率較低，無法滿足工業化生產需求。
　　中國科學院天津工業生物技術研究所研究員劉君帶領的微生物生理和代謝工程研究組以穀氨酸棒桿菌為宿主細胞，探究了L-半胱氨酸合成瓶頸，構建了高效的L-半胱氨酸合成細胞工廠。該研究首先通過敲除半胱氨酸脫巰基酶和過表達自身的絲氨酸乙醯轉移酶（cysE），實現了L-半胱氨酸的積累。然後通過多種代謝工程策略進一步提高L-半胱氨酸的合成，包括增強關鍵酶CysE的表達強度；比較多個異源的CysE，尋找最優的候選者；過表達L-半胱氨酸合成酶增強合成通量；比較多個異源的轉運蛋白，增強L-半胱氨酸的轉運能力以及提高前體絲氨酸的供給等策略。最終獲得的工程菌株CYS-19能夠積累947.9±46.5 mg/L L-半胱氨酸，是目前報導的利用穀氨酸棒桿菌生產L-半胱氨酸的最高水平。
　　該研究獲得國家自然科學基金、天津市自然科學基金的支持，相關研究結果已發表於Applied Microbiology and Biotechnology 雜誌。天津工生所博士生魏亮和客座研究生王浩為論文共同第一作者，劉君為論文通訊作者。
　　文章連結
 
代謝工程改造穀氨酸棒桿菌生產L-半胱氨酸策略示意圖 

相關焦點

  • 代謝工程改造穀氨酸棒桿菌生產L-半胱氨酸方面取得進展
    目前，L-半胱氨酸僅能通過毛髮水解的方法生產，然而該工藝具有高汙染和低得率等缺點，限制了L-半胱氨酸的大規模生產。近年來，隨著合成生物學技術的不斷發展，利用微生物發酵法生產L-半胱氨酸的研究引起了廣泛關注。然而由於L-半胱氨酸複雜的代謝途徑和嚴謹的調控作用，通過微生物發酵法生產L-半胱氨酸的產量和得率較低，無法滿足工業化生產需求。
  • 穀氨酸棒桿菌多基因表達調控技術方面取得進展
    穀氨酸棒桿菌是重要的工業發酵菌種，被廣泛用於胺基酸、有機酸的生產。為了提高目標產物的產量，代謝途徑關鍵基因的表達往往需要精細調控。儘管近年來基於CRISPR的基因組編輯技術以及基於CRISPRi的基因表達沉默技術在穀氨酸棒桿菌中取得了突破，為基因敲除和改造提供了重要工具，但目前可用的基因表達快速調控工具還相對有限。
  • 代謝工程改造大腸桿菌生產甲硫氨酸前體O-乙醯高絲氨酸研究獲進展
    中國科學院天津工業生物技術研究所研究員劉君帶領的微生物生理和代謝工程研究組和研究員江會鋒帶領的新酶設計與酵母基因組工程研究組進行合作，通過結合代謝工程和蛋白質工程的方法，系統地改造大腸桿菌，實現了OAH的高效合成。
  • 非經典途徑防止鐵死亡:穀氨酸半胱氨酸連接酶有秘籍
    為了解半胱氨酸代謝和胱氨酸不足所致的代謝後果，2020年12月22日，來自莫菲特癌症中心的　　GinaM.DeNicola　　團隊在　　CellMetabolism　　雜誌上發表題為　　Non-canonicalGlutamate-CysteineLigaseActivityProtectsagainstFerroptosis
  • Microb Cell Fact:穀氨酸棒桿菌CRISPR/Cas9基因組編輯獲進展
    穀氨酸棒桿菌是一個重要的胺基酸生產菌株，其胺基酸產量每年超過400萬噸，近年來被廣泛用於生產各種天然和非天然產物，預計到2020年穀氨酸棒桿菌發酵產品市值可達204億美元。傳統的工業菌株主要依賴長期的理化誘變及篩選獲得，這個過程漫長，基因組水平實現快速、高效的理性編輯依然是穀氨酸棒桿菌代謝工程改造的難點。近日，中國科學院天津工業生物技術研究所系統與合成生物技術研究團隊開發了穀氨酸棒桿菌的CRISPR/Cas9基因組編輯工具。
  • 天津工生所在構建食品安全蛋白表達系統製備稀少糖方面取得進展
    然而，D-阿洛酮糖轉化合成關鍵酶，主要採用大腸桿菌（E. coli）作為表達宿主，存在食品安全風險，迫切需要開發高效的食品級安全表達系統製備糖酶。　　中國科學院天津工業生物技術研究所研究員孫媛霞帶領的功能糖與天然活性物質研究團隊，以食品級穀氨酸棒桿菌為出發菌株，採用同工酶串聯組合表達策略構建生產菌株，所獲得的糖酶酶活力提高了約20倍。
  • 天津工生所在微生物代謝調控技術研究中取得進展
    代謝調控技術是構建微生物細胞工廠的重要技術手段，構建高效平衡的代謝途徑能夠抑制副產物或者中間產物的積累，提高目標化合物產量。代謝途徑的優化一般是在轉錄水平和翻譯水平上進行代謝途徑基因的優化，包括啟動子工程、RBSs工程、DNA拷貝數、細胞器的劃分和動態啟動子調控等。
  • 天津工生所微生物電合成研究取得進展
    近日，中國科學院天津工業生物技術研究所研究員張學禮帶領的微生物代謝工程研究團隊、研究員畢昌昊帶領的代謝工程與合成生物技術研究團隊合作，在微生物電合成技術方面取得重要進展。科研人園著重研究了胞內輔酶系統對細胞電活性的影響，在先前構建的大腸桿菌電合成發酵系統基礎上，通過改造黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）合成途徑，提高了胞內FAD的水平，從而增加了大腸桿菌的電活性。
  • 利用可再生生物質原料高效合成5-氨基乙醯丙酸方面取得進展
    目前5-ALA主要通過化學合成生產，生產成本較高，難以在農業領域的大規模推廣使用。近年來生物發酵法合成5-ALA取得了一定的進展，但現有報導的技術的實際生產成本仍然難以滿足農業領域大範圍應用的要求。近日，中國科學院天津工業生物技術研究所研究員鄭平帶領的系統與合成生物技術研究團隊和研究員孫際賓帶領的系統生物學中心研究團隊合作，在利用可再生生物質原料高效合成5-ALA方面取得新突破。
  • 天津工生所在3-脫氫莽草酸生物傳感器的發掘與應用方面獲進展
    中國科學院天津工業生物技術研究所研究員王欽宏帶領的進化與代謝工程研究團隊通過轉錄組輔助的代謝物感應（transcriptome-assisted metabolite-sensing，TAMES）策略，成功實現了3-脫氫莽草酸（3-dehydroshikimate，DHS）感應模塊的發掘和應用。
  • 四半胱氨酸探測β摺疊蛋白結構
    （封面圖片：科學家發現四半胱氨酸單位可以作為β摺疊蛋白的結構探測器使用。封面圖為FIAsH標記的大腸桿菌細胞螢光顯微圖，圖中的紫色部分為細胞視黃醇結合蛋白，半胱氨酸用黃色小球表示。）在2008年10月20日出版的《化學與生物學》（Chemistry & Biology）上，來自美國麻薩諸塞大學安姆斯特分校（University of Massachusetts-Amherst）的Krishnan和Gierasch發表了他們這方面的最新研究結果。
  • 生物法製造β-胡蘿蔔素研究取得新進展
    中科院天津工業生物技術研究所在構建大腸桿菌細胞工廠生產β-胡蘿蔔素方面取得進展，該成果已達到了大腸桿菌發酵生產β-胡蘿蔔素的國際最高水平。
  • 【研究進展】中科院天津工業生物所在構建食品安全蛋白表達系統製備稀少糖方面取得新進展
    天津工業生物所在構建食品安全蛋白表達系統製備稀少糖方面取得新進展BIOTECHNOLOGY AND BIOENGINEERING中國科學院天津工業生物技術研究所D-阿洛酮糖是一種接近零熱量的稀少糖，對血糖和胰島素水平幾乎無影響，但具有蔗糖的口感，被美國食品和藥物管理局（FDA）認定為安全的食品添加劑。
  • 天津工生所等闡明枯草芽孢桿菌生物膜形成機制
    天津工生所等闡明枯草芽孢桿菌生物膜形成機制 2014-12-16 天津工業生物技術研究所 【　　中國科學院天津工業生物技術研究所郭瑞庭研究組與美國伊利諾伊大學 Eric Oldfield 教授以及哈佛大學的Roberto Kolter教授在YisP蛋白催化機理上取得了突破性進展。
  • 天津工生所鹼性果膠酶高效胞外表達研究獲進展
    鹼性果膠酶（Pectate Lyase, PL, EC 4.2.2.2）催化多聚半乳糖醛酸裂解α-1,4-糖苷鍵，產生短鏈的不飽和寡聚半乳糖醛酸，廣泛應用於棉織品前處理，食品加工，植物（麻類）纖維脫膠，汙水處理和造紙製漿等加工過程。近年來，其作為生物精練或者脫膠助劑在麻類脫膠過程中得到廣泛應用。
  • 上海交通大學在細菌DNA硫化修飾研究方面取得新進展
    近日，上海交通大學生命科學技術學院、微生物代謝國家重點實驗室吳更教授與武漢大學王連榮、陳實教授團隊合作，揭示了細菌DNA硫化修飾中催化第一步反應的半胱氨酸脫硫酶發生構象變化，使其活性位點半胱氨酸朝向底物半胱氨酸移動5.5埃以發起攻擊的催化機制。
  • 甘油產丁二酸細胞工廠研究取得進展
    構建高效生產丁二酸的微生物細胞工廠，將可再生的生物質資源高效轉化為丁二酸，是近年來國際上的研究熱點。甘油作為高還原力的碳源，在生產丁二酸等需要較多還原力的產物時具有較大優勢。但是，目前代謝工程改造微生物以甘油為底物生產丁二酸仍具挑戰性，厭氧條件下丁二酸的產量和生產速率非常低。
  • 天津工生所等厭氧微生物氧還感應蛋白作用機制研究獲進展
    天津工生所等厭氧微生物氧還感應蛋白作用機制研究獲進展 2014-12-15 天津工業生物技術研究所 >中氧還感應蛋白RSP的研究中取得了突破性進展。
  • 天津工生所在構建多酶複合體提高纖維素產電效率方面取得進展
    纖維素是地球上最豐富的可再生資源，可以被用來生產生物燃料和生物基化學品。相對於傳統微生物發酵法利用纖維素進行生物製造，體外多酶系統可操作性強、產品得率高、反應速度快，已經被成功應用到催化纖維素完全轉化生產肌醇中。
  • 江大劉龍首次實現谷棒生產N-乙醯葡糖胺
    發表時間：2019.5.30通訊作者：劉龍，江南大學產業技術研究院院長，主要從事模式工業微生物枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)底盤細胞的理性設計、複雜基因線路構建與動態代謝工程研究。主要生產菌株有真菌、大腸桿菌、枯草芽孢桿菌，其中絲狀真菌培養時間長且細胞壁需要酸水解，大腸桿菌不是安全生產菌株，枯草芽孢桿菌發酵後期生產芽孢影響發酵生產過程，因此本文選用穀氨酸棒桿菌生產GlcNAc。