近期，江南大學(xué)生物工程學(xué)院饒志明教授團(tuán)隊在高效合成核黃素方面取得重要進(jìn)展，研究成果“metabolic engineering of Bacillus subtilis for enhancing riboflavin production by alleviating dissolved oxygen limitation”正式發(fā)表于Bioresource Technology（IF=9.642） （https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125228）。

 

　　核黃素又叫微生物素B2，是B族維生素的一種，廣泛應(yīng)用于制藥工業(yè)以及作為食品和飼料添加劑。核黃素參與機(jī)體中一些重要的氧化還原反應(yīng)，當(dāng)缺乏時，就影響機(jī)體的生物氧化，使代謝發(fā)生障礙。革蘭氏陽性枯草芽孢桿菌是目前最具競爭力的核黃素生產(chǎn)者，已廣泛應(yīng)用于核黃素的商業(yè)生產(chǎn)工藝中。在發(fā)酵過程中，隨著溶解氧張力的降低，核黃素產(chǎn)量急劇下降。氧氣供應(yīng)對枯草芽孢桿菌合成核黃素代謝途徑的影響機(jī)制尚不清楚。因此，探究溶氧對核黃素產(chǎn)量的影響及通過代謝工程策略緩解溶解氧限制對提高核黃素產(chǎn)量有重要意義。

 

　　饒志明團(tuán)隊首先通過比較轉(zhuǎn)錄組分析不同溶氧條件下枯草芽孢桿菌全基因組范圍內(nèi)基因表達(dá)變化。氧氣供應(yīng)不足導(dǎo)致枯草芽孢桿菌數(shù)千個基因的表達(dá)發(fā)生了顯著變化，其中包括嘌呤代謝、氮代謝、能量代謝等代謝途徑相關(guān)的基因。核黃素的前體物質(zhì)GTP是通過嘌呤代謝途徑合成的，編碼該途徑關(guān)鍵酶由pur操縱子的基因編碼。低溶氧下pur操縱子基因發(fā)生顯著變化，其中，基因purD和purF表達(dá)下調(diào)最為明顯，分別為69.55和23.92倍，這與RT-qPCR分析結(jié)果一致。而嘌呤途徑抑制因子purR表達(dá)水平上調(diào)2.64倍，這可能是導(dǎo)致嘌呤途徑基因下調(diào)的主要因素。因此，敲除基因purR解除對嘌呤途徑的限制，使核黃素產(chǎn)量提高16.21%。溶氧供應(yīng)不足導(dǎo)致氮代謝的兩個全局調(diào)節(jié)因子TnrA和GlnR表達(dá)水平顯著上調(diào)，該兩個調(diào)控因子參與細(xì)胞內(nèi)氮代謝。在缺氧條件下，許多細(xì)菌具有表達(dá)呼吸和同化硝酸鹽還原酶的能力，利用環(huán)境中豐富的氮源作為呼吸底物和營養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)生長。因此，利用反義RNA策略抑制基因tnrA和glnR的表達(dá)使核黃素的產(chǎn)量分別提高12.05%和23.37%。為了進(jìn)一步緩解溶氧限制，在枯草芽孢桿菌中過表達(dá)vgb基因（編碼血紅蛋白VHb）緩解溶氧限制，且利用基因tnrA的啟動子動態(tài)控制vgb基因的表達(dá)，該啟動子在低溶氧下表達(dá)水平顯著提高。因此，在搖瓶發(fā)酵中動態(tài)控制基因vgb表達(dá)使核黃素產(chǎn)量提高18.62%。最后，利用組合代謝工程策略解除嘌呤代謝限制，平衡細(xì)胞內(nèi)氮代謝并過表達(dá)基因vgb，使核黃素產(chǎn)量在搖瓶發(fā)酵水平提高50.78%，達(dá)到2.5g/l。工程菌株的核黃素產(chǎn)量在5L發(fā)酵罐水平提高45.51%，滴度達(dá)到10.71 g/l。本研究為緩解溶氧限制，進(jìn)一步提高核黃素產(chǎn)量提高提供新的思路和方向。

 

　　饒志明教授為論文的通訊作者，我校2017級博士生尤甲甲為第一作者。上述研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2018YFA0900300）、國家自然科學(xué)基金（No. 21778024, 32071470）等資助。

 

　　近年來饒志明教授團(tuán)隊以合成生物學(xué)科學(xué)理論為指導(dǎo)，在系統(tǒng)開展高效合成高值化合物細(xì)胞工廠構(gòu)建及產(chǎn)業(yè)化方面取得豐碩成果，相關(guān)研究成果已發(fā)表在Science Advances （2020）、Nature Communication （2018）、ACS Catalysis （2018）、Advanced Materials （2018）、Bioresource Technology （2017，2020）、Green Chemistry （2016）、metabolic Engineering （2016）等本領(lǐng)域權(quán)威期刊。

 

　　下一篇：饒志明教授團(tuán)隊在Bioresource Technology發(fā)表通過理性代謝工程改造谷氨酸棒桿菌結(jié)合兩階段pH調(diào)控策略高效合成L-谷氨酰胺的研究成果