基本信息
- 项目名称：
- 低碳工业性大肠杆菌实现绿色发酵技术的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本项目采用合成生物学方法和组合生物学方法对大肠杆菌内释放和固定二氧化碳的酶基因进行优化和组合，在大肠杆菌中过表达二氧化碳固定酶基因同时敲除排放二氧化碳基因，检测二氧化碳固定能力、排放量和能耗，同时构建数学模型，进行模式生物的实验室研究，实现工业大肠杆菌在高密度发酵过程中的高效、低碳、环保。
- 详细介绍：
- 本项目采用合成生物学方法和组合生物学方法对大肠杆菌内释放和固定二氧化碳的酶基因进行优化和组合，在大肠杆菌中过表达二氧化碳固定酶基因同时敲除排放二氧化碳基因，检测二氧化碳固定能力、排放量和能耗，同时构建数学模型，进行模式生物的实验室研究，实现工业大肠杆菌在高密度发酵过程中的高效、低碳、环保。“低碳经济”是节能减排过程中最重要的一个方面，指在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。发展低碳经济，一方面是积极承担环境保护责任，完成国家节能降耗指标的要求；另一方面是调整经济结构，提高能源利用效益，发展新兴工业，建设生态文明。
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 通过生物信息学方法，研究工业微生物大肠杆菌基因特性，对固定酶基因进行改组，优化合成新型高效二氧化碳固定酶；利用合成生物学手段对大肠杆菌细胞内二氧化碳固定酶进行克隆和过表达同时敲除释放二氧化碳基因；对构建好的工程大肠杆菌菌进行模式生物的实验室研究，探究二氧化碳减排的作用原理和机制采用代谢工程方法，优化调控二氧化碳减排基因的表达方式，实现在酵母、链霉菌等发酵中二氧化碳减排和高效节能。
科学性、先进性及独特之处
- 本项目将二氧化碳捕捉及储存技术(CCS)应用到生物领域，通过合成生物学和系统生物学的手段旨在提高工业微生物细胞对二氧化碳的固定能力，从根本上实现生产过程中低碳消耗，使以大肠杆菌为宿主菌的生物工业生产过程中减少碳源消耗10～20％和能耗10%，最终实现工业生产过程中二氧化碳的减排和生产低能耗。
应用价值和现实意义
- 在工业高密度发酵过程中，由于工程菌对碳源的利用程度较低，会导致二氧化碳的释放率增大，造成碳源的浪费和温室气体的大量排放，不利于工业生产过程中的节能环保和高效生产，本项目着眼于节能减排，研究大肠杆菌中心碳代谢网络途径，提高菌体生长密度，同时实现二氧化碳减排的目的，立题新颖并且在医药、食品、发酵行业有广泛而深刻的应用价值
学术论文摘要
- 大肠杆菌是制药工业中的重要蛋白质药物生产菌株，然而乙酸积累、中心碳代谢负担过重等不良因素严重制约着大肠杆菌的高密度生长。本文利用Red同源重组技术，构建icd和ptsG双基因敲除大肠杆菌菌株，以分流碳代谢流，提高碳利用效率，最终增加菌体生物量，减少二氧化碳的排放。同时构建ppc过表达质粒，减少乙酸积累。发酵结果显示，构建的重组菌株产酸量大幅减少，pH值平均升高20%，菌体浓度增加了50%，生长特性得到了强化。 关键词：Red同源重组；大肠杆菌；icd基因；ptsG基因；ppc基因；生长特性
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 属实
参考文献
- [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.
同类课题研究水平概述
- 1.大肠杆菌中心糖代谢途径及工业发酵低碳技术 大肠杆菌作为原核生物，在有氧条件下主要的能量代谢途径有糖酵解途径、柠檬酸循环、戊糖磷酸途径、乙醛酸途径等。通过分析这些途径中主要生化反应途径，找出涉及二氧化碳的具体反应及其他与菌体生长、能量平衡相关的反应，分析这些反应在代谢网络中的作用，借鉴前人的研究成果，利用基因工程技术在基因水平上改变其代谢途径，构建基因工程菌，最终达到二氧化碳减排的效果。目前对其的改造主要集中在目标产物如蛋白质、抗生素，天然药物，生物燃料，有机酸等的高产，而对于改善菌株的最基本生长特征的研究还比较少。国际上Stol等人研究了利用大肠杆菌突变株NZN111株缓慢发酵葡萄糖，表达Ascaris suum苹果酸酶能够使其生长恢复，提高了琥珀酸的得率。Millard等人通过在大肠杆菌JCL1208中过表达PEP羧化酶，使其产量调高3.5倍，但过量表达PEP羧激酶却没有任何效果。Rose等人利用大肠杆菌载体 pACYC184建立起3个带欧文氏菌类胡萝卜素合成基因的质粒来构建生产番茄红素基因工程菌。2. Red 同源重组在绿色发酵技术中的应用 利用基因敲除(knock-out)技术进行功能丧失(loss-of-function)分析或通过基因的过量表达进行功能获得(gain-of-function)分析，进而通过比较突变体与其野生型在特定环境下基因表达的差异，研究目的基因与表型性状的关系，为改变目的基因的结构，提供了新的途径。随着分子生物学实验技术的不断发展，Red同源重组技术不断得到改进和发展，现已成为进行基因打靶和克隆基因的有力工具，具有同源序列短、重组效率高的特点。Murphy较早利用质粒pTP223(Red基因由alc启动子控制)通过Red重组技术构建的大肠杆菌基因缺陷型株KM22，重组效率远高于RecA重组。Zhang等筛选到大肠杆菌sbcA突变株JC9604，bscA突变株可启动Rac原噬菌体recE/recT操纵子表达，而具有RecET重组的功能。目前Red同源重组技术的研究主要集中在大肠杆菌中进行，类似的基因打靶技术也可应用于山羊、酿酒酵母等多种生物基因组研究，在这些生物中可能存在着类似Red重组酶的蛋白。
