基本信息
- 項目名稱：
- 低碳工業(yè)性大腸桿菌實現(xiàn)綠色發(fā)酵技術(shù)的研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 本項目采用合成生物學方法和組合生物學方法對大腸桿菌內(nèi)釋放和固定二氧化碳的酶基因進行優(yōu)化和組合，在大腸桿菌中過表達二氧化碳固定酶基因同時敲除排放二氧化碳基因，檢測二氧化碳固定能力、排放量和能耗，同時構(gòu)建數(shù)學模型，進行模式生物的實驗室研究，實現(xiàn)工業(yè)大腸桿菌在高密度發(fā)酵過程中的高效、低碳、環(huán)保。
- 詳細介紹：
- 本項目采用合成生物學方法和組合生物學方法對大腸桿菌內(nèi)釋放和固定二氧化碳的酶基因進行優(yōu)化和組合，在大腸桿菌中過表達二氧化碳固定酶基因同時敲除排放二氧化碳基因，檢測二氧化碳固定能力、排放量和能耗，同時構(gòu)建數(shù)學模型，進行模式生物的實驗室研究，實現(xiàn)工業(yè)大腸桿菌在高密度發(fā)酵過程中的高效、低碳、環(huán)保?！暗吞冀?jīng)濟”是節(jié)能減排過程中最重要的一個方面，指在可持續(xù)發(fā)展理念指導(dǎo)下，通過技術(shù)創(chuàng)新、制度創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、新能源開發(fā)等多種手段，盡可能地減少高碳能源消耗，減少溫室氣體排放，達到經(jīng)濟社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護雙贏的一種經(jīng)濟發(fā)展形態(tài)。發(fā)展低碳經(jīng)濟，一方面是積極承擔環(huán)境保護責任，完成國家節(jié)能降耗指標的要求；另一方面是調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，提高能源利用效益，發(fā)展新興工業(yè)，建設(shè)生態(tài)文明。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 通過生物信息學方法，研究工業(yè)微生物大腸桿菌基因特性，對固定酶基因進行改組，優(yōu)化合成新型高效二氧化碳固定酶；利用合成生物學手段對大腸桿菌細胞內(nèi)二氧化碳固定酶進行克隆和過表達同時敲除釋放二氧化碳基因；對構(gòu)建好的工程大腸桿菌菌進行模式生物的實驗室研究，探究二氧化碳減排的作用原理和機制采用代謝工程方法，優(yōu)化調(diào)控二氧化碳減排基因的表達方式，實現(xiàn)在酵母、鏈霉菌等發(fā)酵中二氧化碳減排和高效節(jié)能。
科學性、先進性及獨特之處
- 本項目將二氧化碳捕捉及儲存技術(shù)(CCS)應(yīng)用到生物領(lǐng)域，通過合成生物學和系統(tǒng)生物學的手段旨在提高工業(yè)微生物細胞對二氧化碳的固定能力，從根本上實現(xiàn)生產(chǎn)過程中低碳消耗，使以大腸桿菌為宿主菌的生物工業(yè)生產(chǎn)過程中減少碳源消耗10～20％和能耗10%，最終實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程中二氧化碳的減排和生產(chǎn)低能耗。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 在工業(yè)高密度發(fā)酵過程中，由于工程菌對碳源的利用程度較低，會導(dǎo)致二氧化碳的釋放率增大，造成碳源的浪費和溫室氣體的大量排放，不利于工業(yè)生產(chǎn)過程中的節(jié)能環(huán)保和高效生產(chǎn)，本項目著眼于節(jié)能減排，研究大腸桿菌中心碳代謝網(wǎng)絡(luò)途徑，提高菌體生長密度，同時實現(xiàn)二氧化碳減排的目的，立題新穎并且在醫(yī)藥、食品、發(fā)酵行業(yè)有廣泛而深刻的應(yīng)用價值
學術(shù)論文摘要
- 大腸桿菌是制藥工業(yè)中的重要蛋白質(zhì)藥物生產(chǎn)菌株，然而乙酸積累、中心碳代謝負擔過重等不良因素嚴重制約著大腸桿菌的高密度生長。本文利用Red同源重組技術(shù)，構(gòu)建icd和ptsG雙基因敲除大腸桿菌菌株，以分流碳代謝流，提高碳利用效率，最終增加菌體生物量，減少二氧化碳的排放。同時構(gòu)建ppc過表達質(zhì)粒，減少乙酸積累。發(fā)酵結(jié)果顯示，構(gòu)建的重組菌株產(chǎn)酸量大幅減少，pH值平均升高20%，菌體濃度增加了50%，生長特性得到了強化。 關(guān)鍵詞：Red同源重組；大腸桿菌；icd基因；ptsG基因；ppc基因；生長特性
獲獎情況
- 無
鑒定結(jié)果
- 屬實
參考文獻
- [1] Lee SY. High cell-density culture of Escherichia coli[J] ．Trends in Biotechnology, 1996, 14:98-105. [2] Kabir mm, Shimizu K．Metabolic regulation analysis of icd-gene knockout Escherichia coli based on 2D electrophoresis with MALDI-TOF mass spectrometry and enzyme activity measurements[J] ．Applied Microbiology Biotechnology,2004, 65(1):84~96． [3] Chao YP, Liao JC. Alteration of growth yield by over-expression of phosphoenol pyruvate carboxylase and phosphoenol pyruvate carboxykinase in Escherichia coli [J].Applied and Environmental Microbiology, 1993, 59(12): 4261-4265.
同類課題研究水平概述
- 1.大腸桿菌中心糖代謝途徑及工業(yè)發(fā)酵低碳技術(shù) 大腸桿菌作為原核生物，在有氧條件下主要的能量代謝途徑有糖酵解途徑、檸檬酸循環(huán)、戊糖磷酸途徑、乙醛酸途徑等。通過分析這些途徑中主要生化反應(yīng)途徑，找出涉及二氧化碳的具體反應(yīng)及其他與菌體生長、能量平衡相關(guān)的反應(yīng)，分析這些反應(yīng)在代謝網(wǎng)絡(luò)中的作用，借鑒前人的研究成果，利用基因工程技術(shù)在基因水平上改變其代謝途徑，構(gòu)建基因工程菌，最終達到二氧化碳減排的效果。目前對其的改造主要集中在目標產(chǎn)物如蛋白質(zhì)、抗生素，天然藥物，生物燃料，有機酸等的高產(chǎn)，而對于改善菌株的最基本生長特征的研究還比較少。國際上Stol等人研究了利用大腸桿菌突變株NZN111株緩慢發(fā)酵葡萄糖，表達Ascaris suum蘋果酸酶能夠使其生長恢復(fù)，提高了琥珀酸的得率。Millard等人通過在大腸桿菌JCL1208中過表達PEP羧化酶，使其產(chǎn)量調(diào)高3.5倍，但過量表達PEP羧激酶卻沒有任何效果。Rose等人利用大腸桿菌載體 pACYC184建立起3個帶歐文氏菌類胡蘿卜素合成基因的質(zhì)粒來構(gòu)建生產(chǎn)番茄紅素基因工程菌。2. Red 同源重組在綠色發(fā)酵技術(shù)中的應(yīng)用 利用基因敲除(knock-out)技術(shù)進行功能喪失(loss-of-function)分析或通過基因的過量表達進行功能獲得(gain-of-function)分析，進而通過比較突變體與其野生型在特定環(huán)境下基因表達的差異，研究目的基因與表型性狀的關(guān)系，為改變目的基因的結(jié)構(gòu)，提供了新的途徑。隨著分子生物學實驗技術(shù)的不斷發(fā)展，Red同源重組技術(shù)不斷得到改進和發(fā)展，現(xiàn)已成為進行基因打靶和克隆基因的有力工具，具有同源序列短、重組效率高的特點。Murphy較早利用質(zhì)粒pTP223(Red基因由alc啟動子控制)通過Red重組技術(shù)構(gòu)建的大腸桿菌基因缺陷型株KM22，重組效率遠高于RecA重組。Zhang等篩選到大腸桿菌sbcA突變株JC9604，bscA突變株可啟動Rac原噬菌體recE/recT操縱子表達，而具有RecET重組的功能。目前Red同源重組技術(shù)的研究主要集中在大腸桿菌中進行，類似的基因打靶技術(shù)也可應(yīng)用于山羊、釀酒酵母等多種生物基因組研究，在這些生物中可能存在著類似Red重組酶的蛋白。
