面向人工定向重构纤维素菌群的共生分子机理研究

Bioenergy is one of the best solutions for energy and environmental concerns currently. Lignocellulose, which is the highest-yielding polysaccharide in nature, is considered the most promising substrate for bioenergy production. Natural consortium could efficiently utilize cellulose, as consortium is a valid source for various enzyme systems demanded for conversion of cellulose. However, the complex community structures of consortium greatly limited the regulation and optimization effect of conversion capabilities of cellulose. Identification of dominant factors for symbiosis of consortium is the key for expounding the mechanism of efficient conversion capabilities of consortium. Therefore, in this study, we intend to reconstruction a simplified consortium based on simplification technique, and then identify the proteins and small molecule which played key roles for symbiosis of consortium via muti-omics, biochemical and genetic engineering techniques. Then, the molecular mechanism will be revealed based on further studies of mechanism of these dominant factors. The clarification of this mechanism will help reveal of symbiosis and synergy mechanism, and efficiently guide the regulation and optimization of conversion capabilities of consortium, which has important scientific significance and application value.

发展生物质能源是解决当前能源与环境问题的重要途径之一。木质纤维素是自然界产量最高的多糖物质，是极具潜力的生物质能源生产原料。转化纤维素需要多种生物酶的参与。天然菌群是这些酶类的有效来源，能够高效转化纤维素。然而，天然菌群的结构非常复杂，常常导致无法很好地调控和优化其纤维素转化性能。鉴定菌群中对共生起关键作用的因子是揭示天然菌群纤维素转化机理的关键。本研究拟首先通过天然菌群的简化技术，构建最优化的人工菌群；然后综合运用多组学分析、生化和遗传工程手段鉴定在菌群共生中发挥关键作用的蛋白及小分子因子。进一步通过研究这些关键因子的作用机理，阐明纤维素转化菌群中菌株间共生的分子机理。该机理的阐明，有助于揭示纤维素转化天然菌群共生协同机制，指导菌群调控与性能优化，具有重要的科学意义和应用价值。

木质纤维素是自然界广泛存在的产量最大的可再生多糖，是极具潜力的生物燃料原料。已有的研究显示，采用天然菌群进行纤维素转化是纤维素生物燃料的有效途径之一。天然菌群多样化的纤维素酶体系和代谢通路，为发酵体系提供了高效的纤维素降解能力，并通过菌间共生能够高效的、持续性的实现纤维素原料的转化。但其结构的复杂性，限制了对其共生机理、代谢协同与调控等方面的研究，制约了在生产上的应用。.本项目通过多组学分析手段，通过分析已有天然菌群中菌株在纤维素转化过程中功能，建立了稳定高效的人工简化菌群重组方法，获得了由多个纤维素降解菌和非纤维素降解菌组合而成的可稳定传代的简单菌群，发酵性能显著高于原始菌群。进一步对发酵纤维素过程中的菌株结构、代谢通路、表达谱和代谢物分析，筛选出关键作用因子，并阐明了关键因子在纤维素降解人工重组菌群中维持菌间共生、增强协同转化纤维素底物能力的分子机制。该分子机制的阐明，有助于揭示纤维素转化菌群中菌株的共生分子机制，为提升现有菌群纤维素转化能力提供了调控思路，为人工构建更加高效的纤维素降解菌群提供了重要的组合依据，为研究利用菌群进行大规模纤维素转化提供了重要的基础。