近期，江南大學生物工程學院饒志明教授團隊在高效合成核黃素方面取得重要進展，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，就影響機體的生物氧化，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者，已廣泛應用于核黃素的商業(yè)生產工藝中。在發(fā)酵過程中，隨著溶解氧張力的降低，核黃素產量急劇下降。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量有重要意義。

 

　　饒志明團隊首先通過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基因的表達發(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的基因。核黃素的前體物質GTP是通過嘌呤代謝途徑合成的，編碼該途徑關鍵酶由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，使核黃素產量提高16.21%。溶氧供應不足導致氮代謝的兩個全局調節(jié)因子TnrA和GlnR表達水平顯著上調，該兩個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養(yǎng)物質促進生長。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量分別提高12.05%和23.37%。為了進一步緩解溶氧限制，在枯草芽孢桿菌中過表達vgb基因（編碼血紅蛋白VHb）緩解溶氧限制，且利用基因tnrA的啟動子動態(tài)控制vgb基因的表達，該啟動子在低溶氧下表達水平顯著提高。因此，在搖瓶發(fā)酵中動態(tài)控制基因vgb表達使核黃素產量提高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表達基因vgb，使核黃素產量在搖瓶發(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，進一步提高核黃素產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研發(fā)計劃（2018YFA0900300）、國家自然科學基金（No. 21778024, 32071470）等資助。

 

　　近年來饒志明教授團隊以合成生物學科學理論為指導，在系統(tǒng)開展高效合成高值化合物細胞工廠構建及產業(yè)化方面取得豐碩成果，相關研究成果已發(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）等本領域權威期刊。

 

　　下一篇：饒志明教授團隊在Bioresource Technology發(fā)表通過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