谷氨酸棒杆菌对木质纤维素糖化液中酚类抑制物质的耐受机理研究

The sustainable production of bio-based chemicals will require the efficient utilization of lignocellulosic biomass. One of the major challenges faced in commercial production of lignocellulosic-derived bio-based chemicals is the inhibitory compounds generated during pretreatment steps. These inhibitory compounds are toxic to fermenting micro-organisms, which ultimately reduce the efficiency of fermentative microbial biocatalysts. Among these inhibitors, phenolic compounds formed from lignin are specifically notorious. In this study, by using a model industrial strain Corynebacterium glutamicum with broad phenolic compounds degradation activity as the research material, we will investigate the tolerance mechanism of bacteria to phenolic compounds in lignocellulosic hydrolysates based on transcriptomic and SCALE genomic library screening strategies. The genetic information obtained will furthermore pave the way for in situ detoxification of lignocellulosic hydrolysates, which is a major step toward improved efficiency of utilization of lignocellulosic feedstock. This approach by-passes the requirement for a detoxification pretreatment and improves the amount of total utilizable carbon in lignocellulosic hydrolysate. Thus, unique opportunities are created for the application of renewable lignocellulosic biomass for the biotechnological production of chemicals and fuels.

揭示工业微生物对木质纤维素糖化液中生长抑制物质的耐受机制，从而构建高耐受性微生物细胞工厂是高效利用木质纤维素糖化液领域新的制高点。本项目以具丰富木质素源酚类芳香化合物降解能力的模式工业菌株谷氨酸棒杆菌为研究材料，在前期对谷氨酸棒杆菌芳香化合物降解能力和降解途径研究的坚实基础上，进一步通过转录组和SCALE文库筛选技术，系统研究谷氨酸棒杆菌对木质纤维素糖化液中酚类物质这一主要生长抑制剂的耐受机制，筛选鉴定重要耐受相关基因，从而为通过理性组合分子育种构建高耐受性工程菌株提供理论依据和指导，并探讨以木质素源酚类物质为生长碳源进一步提高木质纤维素碳源利用率空间的可能性。攻克木质纤维素糖化液高效利用难题需以不同材料从不同角度全方位解析，本研究将为木质纤维素糖化液高效利用提供新视角，并至少在模式工业菌株谷氨酸棒杆菌对酚类物质的耐受机制领域达到国际领先水平。

揭示工业微生物对木质纤维素糖化液中生长抑制物质的耐受机制研究是提高微生物细胞工厂高效利用生物质的研究热点之一。本项目以具丰富木质素源酚类芳香化合物降解能力的模式工业菌株谷氨酸棒杆菌为研究材料，在前期对谷氨酸棒杆菌芳香化合物降解能力和降解途径研究的基础上，进一步通过转录组（microarray）技术并结合生物信息学分析，得到差异化表达基因，并进行代谢通路（pathway）研究，系统揭示了谷氨酸棒杆菌对木质纤维素糖化液中代表性酚类物质（阿魏酸、香草醛、苯酚）这类主要生长抑制剂的耐受机制，筛选鉴定出了重要耐受相关基因（sigH、sigE、katA、msrA 等），并鉴定出其降解苯酚及香草醛的关键限速酶：Phe及VDH。在以上研究的基础上，结合前期研究内容，进一步揭示了分枝硫醇MSH在提高谷氨酸棒状杆菌降解芳香族化合物及抗环境胁迫能力中的生理功能及内在分子机制。综上所述，本项目首次通过转录组分析及分子遗传学手段，揭示了工业模式菌种谷氨酸棒杆菌对木质纤维素糖化液中酚类抑制物质的耐受机制和降解机制，为通过理性分子育种提高工业菌种的耐受性，以及利用酚类物质作为生长碳源而大幅度提高碳源利用效率，从而提高谷氨酸棒杆菌对木质纤维素的利用效率提供理论依据和指导。