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北理工在利用基因线路调节微生物耐热性方面取得重要研究进展

文章来源:  发布时间:2016-04-15

来源:校园网 编辑: 科学技术研究院 包成刚 

  在国家自然科学基金面上项目、国家杰出青年科学基金和国家“973”计划等项目的资助下,北理工生命学院李春教授课题组利用合成生物学和系统生物学方法设计并构建了微生物智能热量调节引擎(Intelligent Microbial Heat Regulating Engine,IMHeRE图1),并将其应用于大肠杆菌的耐热及其氨基酸合成研究,取得重要进展。
 
图1 微生物智能热量调节引擎(IMHeRE)

  众所周知,微生物发酵过程控制及其设备是一类高能耗的过程和装置,发酵过程中产生的热量必须通过低温循环水带走。据统计,目前我国的工业发酵过程中,动力费用约占发酵成本的25%~40%, 其中常用的冷却过程每立方米发酵液每小时需耗电为1.6~2.8千瓦时。计算发现,如果发酵过程控制温度每升高2-3℃,冷却水消耗将减少15%。以年产万吨发酵产品的企业计算,仅冷却用电可减少170-200万千瓦时。此外,发酵过程温度的提高不仅可以减少发酵体系的染菌风险,也可以使微生物的发酵周期缩短,这样会明显提高生产效率并大大降低生产成本。因此,提高微生物细胞的热响应和耐热性对于提高生物反应效率、降低控制过程能耗及生产成本至关重要。

  微生物智能热量调节引擎的设计及应用(IMHeRE),创造性地实现并大幅度提高了大肠杆菌的耐热能力。IMHeRE主要包括微生物耐热基因线路和数量调控基因线路。耐热线路包括从嗜热微生物中筛选得到的热激蛋白(HSPs)作为耐热功能元件,以及人工设计的RNA温度响应开关作为调控元件,利用对不同温度响应的RNA温度响应开关调控在不同温度下效果最佳的HSPs实现了大肠杆菌的梯级耐热,成功地将大肠杆菌的最适生长温度拓宽到了37-40℃。数量调控线路则利用微生物群体感应系统和RNA温度响应设计的“与”门开关,同时响应温度和细胞密度两个参数来动态开启安全可控的毒性-抗毒性系统(TA),实现微生物的利他性程序化死亡,减少了代谢热的释放同时提高了营养物质的利用率, 从而在菌群层面上提高了微生物适应热胁迫的能力。最后,通过两个系统的协同作用,IMHeRE提高了大肠杆菌对特定高温以及高温波动的适应性与鲁棒性。将该引擎应用于赖氨酸40℃高温发酵,发现赖氨酸产量较对照组提高了5倍,IMHeRE显著的改善了赖氨酸菌株在高温下的生产能力,提高了生产效率、降低控温能耗。另外,由于提高了发酵温度,还可以节省糖化步骤之后的冷却费用。

  该成果发表在国际合成生物学顶级刊物美国化学学会ACS Synthetic Biology(2016,DOI:10.1021/acssynbio.5b00158)上,并被C&EN在2016年2月作为重要科研进展进行新闻报道(http://cen.acs.org/articles/94/web/2016/02/ Gene-Circuit-Boosts-High-Temperature.html?type=paidArticleContent, 图2)。该方法也已申请国家发明专利(CN105002188A)。

(审核:胡晓珉)