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青島能源所發現提高生物法合成萜烯類化合物產量的新機制
2020-05-08 | 編輯: | 【 】| | 供稿部門:精細化學品研究組
    

  萜烯類化合物在食品、醫藥、化妝品、香料、生防等行業有廣泛的用途。近年來,萜烯類化合物因其加氫產物在生物燃料領域的潛在應用價值而受到越來越多的關注。萜烯類化合物傳統的生產方式是從天然植物中提取或者化學合成,但是這兩種方法存在產量較低、能耗高、操作流程復雜、易產生污染等問題。隨著合成生物學的發展和開發綠色能源的迫切需求,利用工程微生物和可再生糖來生產萜烯類化合物已成為新的研究熱點。青島能源所生物基材料組群精細化學品研究組長期從事生物合成萜烯類化合物的研究工作,并在蒎烯、檜烯、松油烯等化合物的生物合成方面取得了一系列重要進展(圖1)(Biotechnology for Biofuels 2013, 6:60; Microbial Cell Factories 2014, 13:20; RSC Advances 2018, 8:30851)。

  圖1 蒎烯、檜烯、松油烯等化合物的合成途徑

  生物法合成萜烯類化合物產量主要受兩方面因素的影響:合成途徑中基因的表達及宿主對產物的耐受性。以往研究大多只關注合成途徑中基因的改造,而對宿主細胞產物耐受性的研究相對較少。針對上述問題,研究人員首先逐漸提高培養基中外源檜烯的濃度對宿主細胞進行定向馴化(Adaptive laboratory evolution,ALE),獲得了能耐受高濃度檜烯的大腸桿菌馴化菌株(圖2),利用該菌株作為宿主合成檜烯,其產量達到191.76 mg/L,是未馴化菌株的8.43倍,為目前已知大腸桿菌合成檜烯產量的最高報道。接下來,研究人員通過基因組重測序、轉錄組測序、反向工程驗證等手段揭示了與耐受性提高相關的關鍵途徑和關鍵基因。首次發現了3個與大腸桿菌對檜烯的耐受性有關的基因:ybcK、ygiZ scpA。該工作的研究策略和結果為生物合成其它萜烯類化合物的研究提供了重要參考。

  圖2 定向馴化獲得大腸桿菌檜烯耐受性菌株

  A利用逐漸提高培養基中檜烯濃度的定向馴化(Adaptive laboratory evolution,ALE)策略獲得大腸桿菌檜烯耐受性菌株;B 馴化菌株XYF(DE3)和未馴化菌株BL21(DE3)在含有或不含檜烯的培養基中的生長狀況

  相關工作近日發表于生物基化學品研究重要期刊Biotechnology for Biofuels。該工作獲得了中國科學院青年創新促進會、山東省人才項目、海南省重點研發計劃和兩所融合基金等項目的支持。(文/圖 門瀟)

  Tong Wu, Jinfeng Liu, Meijie Li, Ge Zhang, Lijuan Liu, Xing Li, Xiao Men*, Mo Xian*, Haibo Zhang*. Improvement of sabinene tolerance of Escherichia coli using adaptive laboratory evolution and omics technologies. Biotechnology for Biofuels 13, 79 (2020).

https://doi.org/10.1186/s13068-020-01715-x 
 
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