超快速动态代谢物组学分析在热纤梭菌纤维素降解中的应用

热纤梭菌是最有希望实现纤维素乙醇整合生物加工（CBP）的菌群之一。对其进行代谢工程改造是目前提高纤维素乙醇转化效率的一个研究热点。本项目以热纤梭菌为模式生物，开展如下的研究：建立热纤梭菌基于约束的全基因组代谢模型，联合代谢物组学及其它生物信息学数据对代谢模型进行实验验证和精化；根据代谢模型进行计算机辅助代谢工程设计；对热纤梭菌遗传改造突变株进行13C标记的超快动态代谢物组学实验及分析，在亚秒时间尺度上定量化追踪同位素标记物在细胞代谢网络中的扩散和转化，同时获得静态的特定时刻细胞内全代谢物信息以及动态的代谢流信息，全面揭示细胞代谢网络及总体酶功能的变化，诊断当前代谢工程设计的瓶颈并进一步改良。这种"设计－瓶颈诊断－再设计"是一个反复循环过程，直到产率符合设计要求。类似的研究思路和方法也可应用于其它能源微生物，包括能源藻类。这些研究将为建立新型优质低成本生物能源生产工艺奠定最根本的生物资源基础

木质纤维素的高效转化利用是可再生能源领域的研究重点之一，整合生物加工技术 (Consolidated BioProcessing，“CBP”) 在同一发酵体系中完成纤维素酶生产、纤维素降解成单糖、单糖发酵产乙醇的全部过程，简化了工艺和降低了成本，被公认为是最有希望的低成本纤维素乙醇生产路线。热纤梭菌（Clostridium thermocellum）是最有希望实现纤维素乙醇整合生物加工（CBP）的菌株之一。对其进行代谢工程改造是目前提高纤维素乙醇转化效率的一个研究热点。本项目以热纤梭菌为模式生物，开展在代谢物组学分析指导下的代谢工程研究，取得了如下主要研究结果：.1、基于热纤梭菌的基因组序列进行了代谢重建，联合代谢物组学及其它生物信息学数据对重建的代谢模型进行了实验验证和精化，对热纤梭菌的490个基因进行了单基因敲除预测，从而为计算机辅助的代谢工程设计奠定必要的基础。.2、设计及优化了超快速动态代谢物组学实验及分析方法，开发了相应的质谱及核磁共振数据库，以及配套的多功能搜索及分析工具。建立了13C标记同位素稀释质谱定性定量分析方法。.3、进行了热纤梭菌遗传改造，开发了相应的遗传改造工具，获得多株表型改善的热纤梭菌工程菌株，其中敲除了乙酸及乳酸代谢旁路的突变株的乙醇产量比野生型提高了50%以上，并最终设计及初步验证了木质纤维素从预处理到CBP发酵产乙醇的技术路线。.本项目所采取的研究思路和方法也可应用于其它能源微生物，包括能源藻类。这些研究将为建立新型优质低成本生物能源生产工艺奠定最根本的生物资源基础