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基本信息

項(xiàng)目名稱：
低碳工業(yè)性大腸桿菌實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)酵技術(shù)的研究
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
本項(xiàng)目采用合成生物學(xué)方法和組合生物學(xué)方法對(duì)大腸桿菌內(nèi)釋放和固定二氧化碳的酶基因進(jìn)行優(yōu)化和組合，在大腸桿菌中過(guò)表達(dá)二氧化碳固定酶基因同時(shí)敲除排放二氧化碳基因，檢測(cè)二氧化碳固定能力、排放量和能耗，同時(shí)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行模式生物的實(shí)驗(yàn)室研究，實(shí)現(xiàn)工業(yè)大腸桿菌在高密度發(fā)酵過(guò)程中的高效、低碳、環(huán)保。
詳細(xì)介紹：
本項(xiàng)目采用合成生物學(xué)方法和組合生物學(xué)方法對(duì)大腸桿菌內(nèi)釋放和固定二氧化碳的酶基因進(jìn)行優(yōu)化和組合，在大腸桿菌中過(guò)表達(dá)二氧化碳固定酶基因同時(shí)敲除排放二氧化碳基因，檢測(cè)二氧化碳固定能力、排放量和能耗，同時(shí)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行模式生物的實(shí)驗(yàn)室研究，實(shí)現(xiàn)工業(yè)大腸桿菌在高密度發(fā)酵過(guò)程中的高效、低碳、環(huán)保?！暗吞冀?jīng)濟(jì)”是節(jié)能減排過(guò)程中最重要的一個(gè)方面，指在可持續(xù)發(fā)展理念指導(dǎo)下，通過(guò)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(dá)到經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)雙贏的一種經(jīng)濟(jì)發(fā)展形態(tài)。發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，一方面是積極承擔(dān)環(huán)境保護(hù)責(zé)任，完成國(guó)家節(jié)能降耗指標(biāo)的要求；另一方面是調(diào)整經(jīng)濟(jì)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。

作品圖片

  • 低碳工業(yè)性大腸桿菌實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)酵技術(shù)的研究
  • 低碳工業(yè)性大腸桿菌實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)酵技術(shù)的研究
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  • 低碳工業(yè)性大腸桿菌實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)酵技術(shù)的研究
  • 低碳工業(yè)性大腸桿菌實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)酵技術(shù)的研究

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

通過(guò)生物信息學(xué)方法，研究工業(yè)微生物大腸桿菌基因特性，對(duì)固定酶基因進(jìn)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(xué)手段對(duì)大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)二氧化碳固定酶進(jìn)行克隆和過(guò)表達(dá)同時(shí)敲除釋放二氧化碳基因；對(duì)構(gòu)建好的工程大腸桿菌菌進(jìn)行模式生物的實(shí)驗(yàn)室研究，探究二氧化碳減排的作用原理和機(jī)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(dá)方式，實(shí)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(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

本項(xiàng)目將二氧化碳捕捉及儲(chǔ)存技術(shù)(CCS)應(yīng)用到生物領(lǐng)域，通過(guò)合成生物學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)的手段旨在提高工業(yè)微生物細(xì)胞對(duì)二氧化碳的固定能力，從根本上實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)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(guò)程中減少碳源消耗10～20％和能耗10%，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳的減排和生產(chǎn)低能耗。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

在工業(yè)高密度發(fā)酵過(guò)程中，由于工程菌對(duì)碳源的利用程度較低，會(huì)導(dǎo)致二氧化碳的釋放率增大，造成碳源的浪費(fèi)和溫室氣體的大量排放，不利于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的節(jié)能環(huán)保和高效生產(chǎn)，本項(xiàng)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(zhǎng)密度，同時(shí)實(shí)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(jià)值

學(xué)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(fù)擔(dān)過(guò)重等不良因素嚴(yán)重制約著大腸桿菌的高密度生長(zhǎng)。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(shí)構(gòu)建ppc過(guò)表達(dá)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(zhǎng)特性得到了強(qiáng)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(zhǎng)特性

獲獎(jiǎng)情況

無(wú)

鑒定結(jié)果

屬實(shí)

參考文獻(xiàn)

[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(guò)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(zhǎng)、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(dá)到二氧化碳減排的效果。目前對(duì)其的改造主要集中在目標(biāo)產(chǎn)物如蛋白質(zhì)、抗生素，天然藥物，生物燃料，有機(jī)酸等的高產(chǎn)，而對(duì)于改善菌株的最基本生長(zhǎng)特征的研究還比較少。國(guó)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(dá)Ascaris suum蘋果酸酶能夠使其生長(zhǎng)恢復(fù)，提高了琥珀酸的得率。Millard等人通過(guò)在大腸桿菌JCL1208中過(guò)表達(dá)PEP羧化酶，使其產(chǎn)量調(diào)高3.5倍，但過(guò)量表達(dá)PEP羧激酶卻沒(méi)有任何效果。Rose等人利用大腸桿菌載體 pACYC184建立起3個(gè)帶歐文氏菌類胡蘿卜素合成基因的質(zhì)粒來(lái)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(jìn)行功能喪失(loss-of-function)分析或通過(guò)基因的過(guò)量表達(dá)進(jìn)行功能獲得(gain-of-function)分析，進(jìn)而通過(guò)比較突變體與其野生型在特定環(huán)境下基因表達(dá)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(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，Red同源重組技術(shù)不斷得到改進(jìn)和發(fā)展，現(xiàn)已成為進(jìn)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(diǎn)。Murphy較早利用質(zhì)粒pTP223(Red基因由alc啟動(dòng)子控制)通過(guò)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(yuǎn)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(dòng)Rac原噬菌體recE/recT操縱子表達(dá)，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(jìn)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。
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