热纤梭菌纤维小体降解纤维二糖分子调节机制研究

Lignocellulosic biomass is a renewable energy source that can be converted into bio-energy, what’s more, can be used as a major raw material for high value-added chemicals. The development of lignocellulosic biomass industry in accordance with with China's conditions and sustainable development strategies. Low-carbon and inexpensive saccharification technology is a key factor in the development of lignocellulosic biomass. The cellulosome of Ruminiclostridium thermocellum is one of the most efficient cellulase systems which able to hydrolysis cellulose efficiently. The feedback inhibition of cellobiose to cellulosome is one of the bottlenecks in the application of R. thermocellum in the field of cellulosic biomass industy. In previous study, we obtained a strain named R. thermocellum M3 which able to hydrolyzed cellulose and accumulation sugar. The ratio of monosaccharide in cellulose hydrolysate was as high as 97%, which indicated elimination the feedback inhibition of cellobiose on cellulosome. This project intends to study the kinetics of the degradation of cellobiose by strain M3. Probe the genomic and transcriptome changes between the strain M3 and the model strain R. thermocellum ATCC 27045 when cellobiose used as substrate. Analysis the molecular mechanism and network regulation mechanism during cellobiose degradation, verifying the function gene of strain M3 related to the cellobiose degrade regulatory gene, and providing theoretical basis and research ideas for the preparation of anaerobic cellulosic biomass saccharification engineering strains.

木质纤维素类生物质属可再生资源，可作为能源燃料及高附加值产品的主要原料，发展木质纤维素类生物质产业符合我国可持续发展战略。低碳经济的糖化技术是发展木质纤维素类生物质的关键因素。热纤梭菌的纤维小体是迄今发现最高效的纤维素酶系统之一，其降解纤维素的产物主要是纤维二糖，纤维二糖对纤维小体的反馈抑制是热纤梭菌在纤维素类生物质领域应用的瓶颈之一。申请人前期筛选得到一株可直接降解纤维素产糖的热纤梭菌M3，该菌株糖化纤维素的产物中单糖比例高达97%，基本消除了纤维二糖对纤维小体的反馈抑制。本项目拟从菌株M3降解纤维二糖的动力学规律研究出发，通过与模式菌株热纤梭菌ATCC 27045对比，从基因组及转录组角度考察菌株M3降解纤维二糖的关键基因表达变化，解析菌株M3降解纤维二糖分子机理和网络调控机制，验证菌株M3降解纤维二糖调控基因的功能，为制备厌氧细菌糖化纤维素工程菌株提供理论基础及研究新思路。

热纤梭菌（Ruminiclostridium thermocellum）纤维小体是世界上最高效的纤维素酶系统之一，与真菌纤维素酶相比，热纤梭菌纤维小体完整且高效。但截止到目前，热纤梭菌纤维小体在纤维素类生物质资源化领域仍未得到广泛应用，这主要是因为热纤梭菌降解纤维素的主要产物是纤维二糖，而纤维二糖对纤维小体存在反馈抑制。前期研究中，本课题组从马粪中筛选到一株热纤梭菌M3（R. thermocellum M3），与其他热纤梭菌降解纤维素的主要产物为纤维二糖不同，R. thermocellum M3可以直接降解纤维素类生物质为单糖，这说明R. thermocellum M3可有效抵抗纤维二糖对纤维小体的反馈抑制。明晰R. thermocellum M3糖化纤维素类生物质的分子机制及降解纤维二糖调节机制，可为消除纤维二糖反馈抑制，开发新型纤维类生物质的糖化新技术提供新的突破口。基于此研究目标，本项目开展系列研究，并取得以下成果：（1）完善R. thermocellum M3降解纤维二糖过程中底物利用、菌体生长、产物生成的相关参数分析，明确不同条件下纤维二糖的代谢规律；（2）通过全基因组分析及比较基因组学手段，解析R. thermocellum M3糖化纤维素类底物及降解纤维二糖的关键基因，明晰R. thermocellum M3的糖代谢调控机制；（3）解析不同底物（葡萄糖，纤维二糖，微晶纤维素及葡萄糖-纤维二糖混合物）下R. thermocellum M3的转录组特征，进一步揭示热纤梭菌M3降解纤维二糖的分子机制；（4）基于R. thermocellum M3糖化纤维素类生物质的特性，建立纤维素生物质细菌糖化-产氢耦合体系，通过细菌糖化提升纤维素类生物质产氢能力，开发生物制氢新技术。三年来，在基金的支持下，发表论文5篇（其中SCI收录论文4篇，中文期刊1篇），荣获黑龙江省高校科学技术成果二等奖1项，获批国家专利2项。本项目研究成果可为纤维素类生物质糖化新技术的开发及应用提供理论基础，对推动木质纤维素类生物质的高值利用具有指导价值。