古菌独特的脱氧酮糖酸(ED)葡萄糖酵解途径

葡萄糖通过"中心代谢途径"降解为丙酮酸的过程对于生物体物质及能量的代谢具有重要的作用。古菌的葡萄糖酵解过程具有与真核生物以及细菌葡萄糖代谢显著不同的特征。生化性质分析、基因组学、代谢组学等研究结果表明,古菌糖酵解Embden-Meyerhof(EM)与Entner-Doudoroff(ED)途径具有许多与真核生物及细菌经典的EM与ED途径不同的特异性酶类,其中ED糖酵解代谢又可分为非磷酸化与半磷酸化的糖酵解途径。古菌独特的ED糖酵解途径在代谢路径、酶、调节位点、表达调控、能量转化等方面与真核生物及细菌经典的糖酵解途径均存在明显的差异,反映了其适应极端的生理环境而形成可塑性代谢路径的能力。本文综述了古菌ED葡萄糖降解过程中的各种酶、调控机制以及能量转化特征的最新进展,并对进一步的研究方向做了展望。

产乙醇运动发酵单胞菌的研究进展

运动发酵单胞菌作为天然生产乙醇的主要微生物之一,具有特殊的Entner Doudoroff途径和其他一些特殊的糖代谢和能量代谢方式,因此具有乙醇产率高和乙醇耐受力强的显著特点。通过简述运动发酵单胞菌的糖代谢和能量代谢、乙醇和高渗透压等耐性及其遗传改造三方面的研究进展。

野油菜黄单胞菌2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶基因的突变分析

野油菜黄单胞菌野油菜致病变种是发酵工业生产黄原胶的菌种,通过对Xcc8004菌株全基因组序列进行搜索,发现该菌株拥有完整的ED、EMP、HMP等糖代谢途径。为评估ED途径对细胞功能的影响,选择基因组中编码ED途径的关键酶——2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶的基因eda进行诱变,构建非极性突变体。通过对突变体表型进行分析,发现eda基因的突变体在培养基中能够正常生长繁殖,但其胞外多糖产量则降低77.6%。用一段包含eda基因的DNA片段对突变体进行功能互补,能基本恢复胞外多糖产量。这表明eda基因对细胞合成胞外多糖有重要影响,也暗示ED途径对细胞生长是非必要的,而对细胞大量合成胞外多糖是必须的。

系统代谢工程改造谷氨酸棒杆菌高产L-丙氨酸

L-丙氨酸是一种重要的天然氨基酸,广泛应用于医药、食品、饲料等领域。目前,L-丙氨酸主要通过大肠杆菌来生产,开发安全、工业稳定的谷氨酸棒杆菌生产菌株具有重要的意义。该研究筛选了外源丙氨酸脱氢酶,在不以其他氨基酸为氨基供体的条件下高效率合成L-丙氨酸。强化非磷酸转移酶系统(phosphotransferase system,PTS)葡萄糖摄取途径,极大地促进了细胞的生长和L-丙氨酸的合成。引入异源Entner-Dondoroff途径,通过4步反应即可实现糖酵解途径10步反应供应前体物丙酮酸,进一步提高了L-丙氨酸的产量。此外,为了避免抗生素的使用和保证菌株的遗传稳定性,将关键基因整合到基因组上。最终工程菌株在5 L发酵罐发酵48 h产生104 g/L L-丙氨酸。该研究为利用谷氨酸棒杆菌工业化生产L-丙氨酸奠定了基础,同时为其他丙酮酸族产品的代谢工程研究提供了参考。

代谢工程改造大肠杆菌生产氢咕啉酸

维生素B_(12)是唯一含有金属离子的维生素,其合成途径尤为复杂。大肠杆菌工程菌是生成维生素B_(12)的新菌种。氢咕啉酸作为维生素B_(12)合成途径重要的稳定中间体,通过代谢工程提高大肠杆菌氢咕啉酸的产量具有重要意义。经过不同宿主的对比发现BW25113(DE3)是生产氢咕啉酸的合适宿主。利用CRISPR/Cas9介导的基因组编辑技术将氢咕啉酸生物合成基因在染色体上表达,氢咕啉酸产量提高12倍,达到6.38 mg/L。增加前体尿卟啉原Ⅲ供应,氢咕啉酸产量再次提高,达到11.61 mg/L。敲除ackA-pta对氢咕啉酸产量提高没有效果。经过引入运动发酵假单胞菌来源的Entner-Doudoroff途径提高还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)水平,1株无抗菌株的氢咕啉酸产量提高到14.60 mg/L。该研究为大肠杆菌高效生产维生素B_(12)奠定了基础。

产丁二酸运动发酵单胞菌的构建和发酵性能

丁二酸是一种重要的有机化工原料及中间体,微生物发酵法产丁二酸具有十分显著的经济和环境优势,但目前研究中的产丁二酸野生菌或工程菌发酵副产物较多,且大多数发酵过程中需严格厌氧,限制了在丁二酸工业化生产中的应用.本研究以运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis ZM4)为出发菌株,利用同源重组原理分别敲除其ED代谢途径2个关键酶基因——丙酮酸脱羧酶基因(pdc,ZMO1360)和乙醇脱氢酶基因(adh B,ZMO1596),以期获得能产丁二酸的重组工程菌株.通过同源重组成功获得敲除丙酮酸脱羧酶基因及乙醇脱氢酶基因的2株突变菌株,分别命名为ZM1360和ZM1596.发酵试验结果显示:在23 g/L葡萄糖的培养基发酵30 h,ZM1360和ZM1596丁二酸产量分别达2.8 g/L和0.67 g/L,乙醇产量分别下降16.7%和2.33%;而出发菌株Z.mobilis ZM4发酵液中则未能检测到丁二酸.与出发菌株Z.mobilis ZM4相比,ZM1360和ZM1596中丙酮酸脱羧酶(PDC)和乙醇脱氢酶(ADH)酶活也分别下降35.85%和69.51%;相应地,pdc基因表达下降了82%,基本无adh B基因表达.本研究表明,通过阻断Z.mobilis乙醇合成代谢途径,有利于丁二酸的积累,为构建新型高效的产丁二酸基因工程菌株奠定了一定基础.