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我校陳堅院士團隊劉龍教授課題組在Nature Chemical Biology發表關於細胞中心代謝網絡動態調控的研究成果

發佈日期:2020-09-08  來源:生物工程學院   文/圖:劉龍;審核:劉延峯

近日我校生物工程學院陳堅院士團隊劉龍教授課題組在微生物細胞工廠中心代謝網絡的動態調控方面取得重要進展,研究成果“Pyruvate-responsive genetic circuits for dynamic control of central metabolism”於9月7日在線發表在《Nature Chemical Biology》(//www.nature.com/articles/s41589-020-0637-3)。

如何實現微生物中心代謝網絡代謝流的最優分配一直是高版本微生物底盤細胞構建的研究熱點之一。基因迴路目前被廣泛應用於代謝網絡的動態控制,其可以有效避免有毒中間代謝物的積累,平衡細胞生長與產物合成的代謝流,從而提高產物的合成效率。這些基因迴路大多通過響應外界環境信號、中間代謝物和信號分子發揮功能。然而,目前缺乏能夠響應胞內關鍵中心代謝物的基因迴路,例如丙酮酸。丙酮酸是連接細胞糖酵解途徑與三羧酸循環的關鍵中心代謝物,其一方面為產物的合成提供碳骨架,另一方面進入三羧酸循環為細胞生長提供能量與還原力。因此,構建響應胞內丙酮酸濃度的基因迴路能夠實現碳中心代謝流的動態控制,促進中心代謝衍生產物的高效合成。

在該研究中,研究人員首先基於大腸桿菌來源的丙酮酸響應轉錄因子PdhR,在B. subtilis中設計、構建了丙酮酸響應基因迴路,進一步通過突變以及改變PdhR在啓動子上的結合序列與位置,優化了丙酮酸響應基因迴路的動態範圍,獲得丙酮酸激活型的基因迴路,隨後測試了所構建基因迴路的正交性和響應閾值。接着,研究人員驗證了反義轉錄在枯草芽孢桿菌中的功能,並結合實驗數據以及模型預測,發現轉錄干擾是反義轉錄發揮功能的主要機制,並揭示活性越強的啓動子越容易因為“自閉塞效應”而受到轉錄干擾的影響。隨後,研究人員結合反義轉錄以及高通量篩選技術,成功獲得丙酮酸抑制型的基因迴路,從而獲得受胞內丙酮酸響應的雙功能基因迴路。最後,研究人員利用雙功能的丙酮酸生物傳感器設計反饋控制系統,該系統使細胞能夠自發地響應胞內丙酮酸濃度,動態優化B. subtilis中心碳代謝途徑的代謝流,從而使B. subtilis高效合成葡萄糖二酸,葡萄糖二酸的搖瓶產量提高了154%,而傳統的靜態調控策略僅提高35%。

陳堅院士和劉龍教授為該論文的共同通訊作者,江南大學18級博士生徐顯皓為該論文的第一作者。上述研究工作得到了國家自然科學基金(31870069,31930085,21676119)、國家重點研發計劃(2018YFA0900300,2018YFA0900504)、江蘇省研究生科研創新計劃(KYCX18_1786)、中央高校基本科研專項資金(JUSRP51713B)和BBSRC (BB/R01602X/1)的資助。

枯草芽孢桿菌中葡萄糖二酸合成的動態調控

閲讀( (編輯:王能文)

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