【摘 要】
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微生物电合成（Microbial electrosynthesis,MES）技术是一种绿色环保可持续的新型学科交叉前沿技术,其可以利用可再生电力为微生物提供还原力或调控胞内代谢,从而促进微生物细胞利用葡萄糖或最理想的CO2为底物合成目的代谢产物。目前MES系统中所用的宿主菌株大多缺乏高效的基因编辑手段,且生成的产物多为C3到C4以下,相对附加值较低。为了能够更高效地生产高附加值产物,本文中我们首先
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微生物电合成（Microbial electrosynthesis,MES）技术是一种绿色环保可持续的新型学科交叉前沿技术,其可以利用可再生电力为微生物提供还原力或调控胞内代谢,从而促进微生物细胞利用葡萄糖或最理想的CO2为底物合成目的代谢产物。目前MES系统中所用的宿主菌株大多缺乏高效的基因编辑手段,且生成的产物多为C3到C4以下,相对附加值较低。为了能够更高效地生产高附加值产物,本文中我们首先初步筛选了目前本实验室常用的5种合成生物学工程菌株,分别是酿酒酵母BY4741产对羟基苯甲酸甲酯、大肠杆菌JM109产1,3-丁二醇（1,3-Butanedio,1,3-BDO）、酿酒酵母YJZ08产游离脂肪酸（Free fatty acid,FFA）、解脂耶氏酵母2624产法尼烯及谷氨酸棒状杆菌AC产肝素前体Heparosan与微生物电合成系统耦合的适配性,发现除对羟基苯甲酸甲酯的产量出现下降外,其余FFA、1,3-BDO、法尼烯、Heparosan的产量均有不同程度提高。这表明微生物电合成技术针对包括内源、外源多种代谢途径的高附加值产物具有一定普适性的促进作用。之后我们选取了酿酒酵母YJZ08和大肠杆菌JM109进行了相关胞外电子受体蛋白的异源表达以探究MES对不同菌株的差异化影响的原因并最终希望在MES实现提产的效果。之后针对酿酒酵母和大肠杆菌两种模式菌株进行了进一步的电活性化改造以提高其生产高附加值化合物的产量。通过不同组合异源表达Shewanella.oneidensis MR-1来源的Mtr ABC+cym A+fcc A和Geobacter sulfurreducens来源的Omc S和Omc Z细胞色素蛋白及信号肽筛选等相关的基因工程优化,我们最高使FFA和1,3-BDO的产量分别提高了约32%和20%,达到约481mg/L和2.1g/L。通过进一步的测定胞内辅酶NAD（P）H/NAD（P）+变化、电化学分析,尤其是对于最佳提产菌株的Q-TOF代谢组学分析,我们发现MES对胞内代谢还原力的提升效果可能是作用于胞内所有涉及还原力的代谢通路而对所希望提产的特定目标产物如1,3-BDO、FFA较为缺乏选择性。虽然理论上根据级联放大作用,越接近代谢途径终端的代谢产物的产量提升效果会越明显,但由于途径中不同酶活性的高低不同,彼此之间的适配性不总能保证整体代谢链的动态平衡,从而可能导致新的限速步骤出现,甚至增加了副产物的代谢通量。因此在选择MES适用底盘菌株或产物时,应重点考虑相关途径中是否有关键性中间产物或限速步骤,以更好地利用MES技术辅助微生物增产高附加值产物。
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