近期，江南大學(xué)生物工程學(xué)院饒志明教授團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。核黃素參與機體中一些重要的氧化還原反應，當缺乏時(shí)，就影響機體的生物氧化，使代謝發(fā)生障礙。革蘭氏陽(yáng)性枯草芽孢桿菌是目前最具競爭力的核黃素生產(chǎn)者，已廣泛應用于核黃素的商業(yè)生產(chǎn)工藝中。在發(fā)酵過(guò)程中，隨著(zhù)溶解氧張力的降低，核黃素產(chǎn)量急劇下降。氧氣供應對枯草芽孢桿菌合成核黃素代謝途徑的影響機制尚不清楚。因此，探究溶氧對核黃素產(chǎn)量的影響及通過(guò)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。

 

　　饒志明團隊首先通過(guò)比較轉錄組分析不同溶氧條件下枯草芽孢桿菌全基因組范圍內基因表達變化。氧氣供應不足導致枯草芽孢桿菌數千個(gè)基因的表達發(fā)生了顯著(zhù)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(guò)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(zhù)變化，其中，基因purD和purF表達下調最為明顯，分別為69.55和23.92倍，這與RT-qPCR分析結果一致。而嘌呤途徑抑制因子purR表達水平上調2.64倍，這可能是導致嘌呤途徑基因下調的主要因素。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%。溶氧供應不足導致氮代謝的兩個(gè)全局調節因子TnrA和GlnR表達水平顯著(zhù)上調，該兩個(gè)調控因子參與細胞內氮代謝。在缺氧條件下，許多細菌具有表達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(yíng)養物質(zhì)促進(jìn)生長(cháng)。因此，利用反義RNA策略抑制基因tnrA和glnR的表達使核黃素的產(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(guò)表達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(dòng)子動(dòng)態(tài)控制vgb基因的表達，該啟動(dòng)子在低溶氧下表達水平顯著(zhù)提高。因此，在搖瓶發(fā)酵中動(dòng)態(tài)控制基因vgb表達使核黃素產(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，平衡細胞內氮代謝并過(guò)表達基因vgb，使核黃素產(chǎn)量在搖瓶發(fā)酵水平提高50.78%，達到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(lái)饒志明教授團隊以合成生物學(xué)科學(xué)理論為指導，在系統開(kāi)展高效合成高值化合物細胞工廠(chǎng)構建及產(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)域權威期刊。

 

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