谷氨酸棒杆菌氨甲酰磷酸途径系统解析与协同调控

Corynebacterium glutamicum is one of the optimal industrial microorganisms to produce amino acids. In the early study of constructing the L-arginine and L-citrulline strains, the applicant has found that the carbamyl phosphate synthesized by glutamine through phosphate transfer and CO2 fixation catalyzed by carbamyl phosphate synthesatase played an important role in the growth of cells and the anabolism of arginine. Carbamyl phosphate is the key node of the anabolism of arginine and pryrimidine, while its in-deepth researches and the synthesis study about the arginine series of amino acid are still in the blank. This study will research the function and pattern of the synthesis and metabolism of carbamyl phosphate in strengthening CO2 fixation and regulating the anabolism of arginine and pryrimidine. Using the Corynebacterium glutamicum of producing L-arginine and L-citrulline, we will ascertain the optimal expression level to improve the unit yield by studying the influence of the flow of carbon metabolism caused by different expression level of enzymes, the pattern of key node and the transformation of energy in cells. This study will provide the theory gist about the flow of carbon metabolism regulated and controlled by carbamyl phosphate and offer the guidance to high-efficient production of L-arginine and L-citrulline.

谷氨酸棒杆菌是广泛应用于氨基酸及其他重要化学品发酵生产的工业微生物，申请人在前期利用谷氨酸棒杆菌构建L-瓜氨酸和L-精氨酸生产菌株的研究中，发现由氨甲酰磷酸合成酶固定CO2合成的氨甲酰磷酸，对菌体生长和L-瓜氨酸和L-精氨酸合成代谢起重要作用。氨甲酰磷酸作为精氨酸和嘧啶合成代谢的关键节点，其研究报道相对较少。本课题为研究认识氨甲酰磷酸合成与分解代谢在强化谷氨酸棒杆菌固定CO2并在调控L-瓜氨酸、L-精氨酸与嘧啶合成代谢中的关键作用规律，从调控角度系统解析氨甲酰磷酸合成与分解代谢关键酶表达强度对碳代谢流分布的影响，阐明氨甲酰磷酸关键节点的控制规律及胞内能量变化，从而确定最优的氨甲酰磷酸途径多基因协同表达体系以提高单位菌体的L-精氨酸和L-瓜氨酸合成。本研究将对高能磷酸化合物——氨甲酰磷酸在调控碳代谢流方面的作用提供理论依据，为实现L-精氨酸和L-瓜氨酸的高效生产提供重要的指导。

本项目以生产氨基酸的最适微生物谷氨酸棒杆菌为研究对象，为研究认识氨甲酰磷酸合成与分解代谢在强化谷氨酸棒杆菌固定CO2并在调控精氨酸合成代谢与嘧啶合成代谢中的关键作用规律，以谷氨酸棒杆菌生产L-精氨酸和L-瓜氨酸为研究模型，研究氨甲酰磷酸合成与分解代谢关键酶不同表达水平对碳代谢流分布的影响，阐明氨甲酰磷酸关键节点的控制规律及胞内能量变化，从而确定合适的表达水平以提高单位菌体的L-精氨酸和L-瓜氨酸合成。本研究对高能磷酸化合物——氨甲酰磷酸在调控碳代谢流方面的作用提供理论依据，为实现L-精氨酸和L-瓜氨酸的高效生产提供重要的指导作用。依托本项目研究，利用谷氨酸棒杆菌发酵生产瓜氨酸，单位菌体产率较前期研究出发菌提高了16.5％，瓜氨酸产量达到27.4 g/L。本项目首次提出通过氨甲酰磷酸途径改造促进谷氨酸棒杆菌精氨酸合成代谢，该现象对谷氨酸棒杆菌标准菌株和课题组改造的具有自主知识产权的菌株具有共性意义，研究结果将获得单位菌体生产L-精氨酸和L-瓜氨酸提高的谷氨酸棒杆菌细胞工厂，对现有发酵生产中单位菌体生产水平提高有一定指导意义，具有较高的应用价值。 本项目首次揭示谷氨酸棒杆菌中氨甲酰磷酸作为代谢节点调控精氨酸合成代谢与嘧啶合成代谢的机理，并从细胞能量变化及关键酶表达等方面系统探讨该途径的功能，为实现精氨酸和嘧啶代谢在分子及细胞水平上的调控及高能磷酸化合物对胞内代谢的调控影响等研究都具有较高的理论价值。