改造基因组以提高微生物生长速度的研究

Industrial fermentation processes require rapid growth of microorganisms to save fermentation cost and to reduce the possibility of contamination. This project aims to accelerate microbial growth via manipulating the microbial genome. A eucaryotic cell usually has a number of chromosomes which each contains multiple origins of replication, this significantly speed up the genomic DNA replication. In contrast, a prokaryotic cell normally has only one chromosome containing only one replication origin, it is expected that DNA replication can be accelerated if more DNA replication origins are introduced or if the genome is divided into two. Enhanced DNA replication should result in faster cell growth. E. coli will be used as a prokaryote to test this hypothesis. On one hand, multiple origins of replication will be inserted into the genome of E. coli, on the other hand, the genome will be divided into two smaller ones.Studies will be conducted regarding how these genome manipulations will affect cell growth. The understanding of cell growth on a genomic basis will significantly benefit the fermentation industries.

许多工业微生物发酵过程需要快速的微生物生长以节省发酵成本以及减少染菌的几率。因此，在分子水平上加快微生物生长速度一直是人们关心的重要问题。通常真核生物细胞有多条染色体DNA，并含有多个复制起始点，这大大加快了其基因组DNA的复制速度，而原核生物细胞只有一个染色体，仅含有一个复制起始点，如果增加DNA的复制起始点或者将基因组一分为二，是否能加速复制速度，从而提高原核微生物的生长速度？为此，本课题拟在原核生物中，以大肠杆菌为例，方案一为整合多个复制起始点至其基因组，以研究是否可以提高基因组DNA的复制速度，从而加快大肠杆菌生长速度；方案二为将基因组分为两个小基因组，以研究是否可以加快大肠杆菌的生长速度。本课题对了解原核生物基因组复制机制的研究也具有重要的理论意义，也将有益于微生物工业发酵产业。

本项目构建了一个可以快速生长的，并且能够进行多分裂（而不是二等分的）的大肠杆菌系统，在这个系统中转入生物塑料PHB的生产质粒PBHR68，探究其在PHA生产方面的作用。我们发现，无论是在LB培养基还是矿物培养基中，突变型大肠杆菌E. coli JM109∆minCD（pBHR68）的PHB含量都比野生型E. coli JM109（pBHR68）的高，多分裂的方式提高了突变型大肠杆菌生产PHB的能力。为了更清晰的研究分裂基因ftsZ，mreB和 ftsQLWN基因对于E. coli JM109∆minCD生产PHB的影响，我们分别进行了单独表达这六个基因的实验，结果发现这几个基因都可以促进突变型大肠杆菌生产PHB。在过表达ftsZ的E. coli JM109∆minCD菌株中，细菌的形态要明显长于对照组，较长的突变型大肠杆菌体内能够积累更多的PHB颗粒。过表达mreB，则由于扩大了整个生产菌株的体积，使得其装载PHB的能力也有所提高。分裂基因ftsQLWN加快了细菌分裂的速度和细菌的长度，减少了小细胞结构的产生，提高了代谢产物的产量。最后，突变型大肠杆菌E. coli JM109∆minCD在过表达ftsZ，mreB和 ftsQLWN六个基因的情况下，其积累PHB的能力得到显著提高，PHB的含量几乎是野生型的一倍。利用这个系统可以高效的生产PHB等生物产品，显著提高了大肠杆菌的生产能力，减低生产制造的成本