近日，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院楊建明教授團(tuán)隊在國際期刊Bioresource Technology發(fā)表了題為“Production of α-amylase from gluconate and carbon dioxide by protein synthesis and secretion optimization in Cupriavidus necator H16 ”的研究論文。
該研究報道了利用Cupriavidus necator H16將二氧化碳（CO2）轉(zhuǎn)化為胞外酶產(chǎn)物α-淀粉酶，即在C. necator H16體內(nèi)表達(dá)外源α-淀粉酶，并通過α-淀粉酶基因表達(dá)優(yōu)化、基因組修飾和分泌系統(tǒng)工程等模塊化方法優(yōu)化α-淀粉酶生產(chǎn)工程菌株，實現(xiàn)了CO2到α-淀粉酶的轉(zhuǎn)化。
二氧化碳（CO2）是人類活動產(chǎn)生的主要溫室氣體之一。近年來，生物技術(shù)的進(jìn)步為CO2的利用提供了一種新的途徑。
Cupriavidus necator H16 是一種化能自養(yǎng)微生物，可以CO2為唯一碳源進(jìn)行生長和生物合成。該菌株以生產(chǎn)聚羥基脂肪酸（Polyhydroxybutyrate, PHB）而聞名，但其也擁有強(qiáng)大的蛋白合成能力，（胞內(nèi)蛋白質(zhì)含量最高可達(dá)75%）。因此，該菌株也被用于生產(chǎn)蛋白細(xì)胞蛋白（single-cell proteins, SCPs）和一些胞內(nèi)酶產(chǎn)物（intracellular enzyme products, IEPs）。然而，目前還未有利用該菌株生產(chǎn)胞外酶產(chǎn)物（extracellular enzyme products, EEPs）的研究被報道。
本研究以應(yīng)用最為廣泛胞外酶的α-淀粉酶為原型，通過基因表達(dá)優(yōu)化、基因組修飾和分泌系統(tǒng)工程三個模塊構(gòu)建并優(yōu)化生產(chǎn)α-淀粉酶的C. necator H16工程菌株。研究發(fā)現(xiàn)，采取利用強(qiáng)啟動子驅(qū)動α-淀粉酶基因表達(dá)以增強(qiáng)淀粉酶前體的合成，阻斷PHB合成途徑以減少碳骨架的流失、過表達(dá)內(nèi)源胞內(nèi)伴侶蛋白DnaJ以防止淀粉酶前體在胞內(nèi)被錯誤折疊和降解和引入外源胞外伴侶蛋白PrsA以緩解分泌應(yīng)激等策略可大幅度增強(qiáng)工程菌株的淀粉酶生產(chǎn)能力。最終整合上述策略的工程菌株以葡萄糖酸作為底物時，每單位細(xì)胞的α-淀粉酶活性可達(dá)到5.54 U/OD600，較初始工程菌株相比提高了29.2倍。以CO2作為底物時，每單位細(xì)胞的α-淀粉酶活性可達(dá)到4.26 U/OD600。本研究證明了開發(fā)C. necator H16作為自養(yǎng)生產(chǎn)α-淀粉酶的宿主的可行性。也為利用C. necator H16進(jìn)行CO2到胞外酶產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化提供了參考。
濟(jì)南大學(xué)講師湯若昊博士為論文第一作者，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士生徐睿和高學(xué)民為共同第一作者，濟(jì)南大學(xué)秦曉春教授和青島農(nóng)業(yè)大學(xué)楊建明教授為論文共同通訊作者，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)為第一通訊單位。
本研究得到國家自然科學(xué)基金項目和山東省自然科學(xué)基金青年項目的資助，獲得山東省應(yīng)用真菌重點實驗室、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)光合固碳產(chǎn)能研究中心和濟(jì)南大學(xué)光合作用與高效農(nóng)業(yè)研究團(tuán)隊等科研平臺和團(tuán)隊的大力支持。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852424014482?dgcid=coauthor
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