微生物耐热元器件的构建及其与底盘宿主的适配性研究

For the present industrial microorganisms manufacturing system working at normal temperature, it has to consume large amounts of cooling water in the fermentation, resulting in a large energy consumption problem. Based on the analysis of sequenced genomic information and molecular mechanisms of thermophilic and heat-resistant parts, the microbial heat-resistant gene parts and its functional applications will be investigated by using synthetic biology in this research. The heat-resistant devices library would be expectantly established by studying the designing theories approaches of heat-resistant parts. After integrated and assembled the heat-resistant devices into chassis host, industrial microorganism Saccharomyces cerevisiae, the study focuses on adaptation mechanisms of heat-resistant devices in host. The synthetic pathways of xylitol and β-amyrin previously reconstructed in our group will be choose to verify the function of the heat-resistant devices in S. cerevisiae. The aim is to obtain three different levels (high, medium and low) of microbial heat-resistant devices for expanding the range of the optimal growth temperature and clarifying the molecular adaptation mechanisms of heat-resistant devices in S. cerevisiae. In this research, the efficiency of the microbial manufacturing system will be expectantly improved by regulating the bioreaction temprature to reduce energy consumption, which will also provide ideas for the improvement of other microbial tolerance.

针对现有工业微生物制造体系因控制常温发酵需要消耗大量冷却水所带来的能耗投入较大问题，本项目依据已完成测序的嗜热和耐热微生物基因组信息及其耐热机制，运用合成生物学方法开展微生物耐热元件的发掘与功能应用研究。通过研究耐热元器件的设计原理与方法，构建不同耐热程度的元器件库，以模式工业微生物S.cerevisiae为底盘宿主进行组装，研究耐热元器件与底盘宿主之间的适配性关系；在耐热底盘宿主中组装课题组前期已构建好的木糖醇和β-香树脂醇两条人工合成途径以进行耐热元器件的功能验证。通过该项目的实施，期望获得高、中、低三种不同程度的微生物耐热元器件，拓宽S.cerevisiae的最适生长温度范围，阐明其在S.cerevisiae中的适配性分子机制。项目从改善生物反应环境以降低过程能耗的角度来提高微生物制造体系的工作效率，为提高生物其他方面的耐受性研究提供思路。

针对现有工业微生物制造体系因控制常温发酵需要消耗大量冷却水所带来的能耗投入较大问题，本项目依据已完成测序的嗜热和耐热微生物基因组信息及其耐热机制，从系统层面对耐热功能元件进行发掘、分类和表征，并创建了相关分类方法,筛选并验证耐热基因元件325个，设计并构建了启动子、RNA热敏开关等调节基因元件120个。通过研究耐热元器件的设计原理与建立高通量筛选平台，构建不同耐热程度的元器件库，确立了耐热元器件的标准化方法及随机组装技术。使用高通量筛选平台筛选耐热酿酒酵母工程菌12000余个，构建了耐热大肠杆菌工程菌123个。以模式工业微生物酿酒酵母和大肠杆菌为底盘宿主进行组装，研究耐热元器件与底盘宿主之间的适配性关系。以酿酒酵母为例，得到2株效果较好的耐热工程菌，4次中试结果表明，抗高温酵母残总糖、甘油含量、细胞存活等指标均远远优于对照，乙醇产量提高约7%，初步计算，可以为企业提高产能及节约冷却成本约800万元/年。在耐热底盘宿主中组装课题组前期已构建好的β-香树脂醇人工合成途径，结果表明耐热工程菌(Sgib-T.te-GroS2)比对照菌(Sgib)的β-香树脂醇的产量提高了28.1%。以大肠杆菌为例，设计了微生物智能热量调节引擎（IMHeRE），将梯级耐热系统与微生物数量感应系统进行“与”门组合控制，创造性地实现并大幅度提高了大肠杆菌的耐热能力。将该引擎应用于大肠杆菌赖氨酸40℃高温发酵，发现赖氨酸产量较对照组提高了2-5倍。通过该项目的实施，获得了高、中、低三种不同程度的微生物耐热元器件库，拓宽了酿酒酵母和大肠杆菌最适生长温度范围，阐明了微生物耐热元器件在酿酒酵母和大肠杆菌中的适配性分子机制。项目从改善生物反应环境以降低过程能耗的角度来提高微生物制造体系的工作效率，为提高微生物其他方面的耐受性研究提供了新的思路