重构枯草芽孢杆菌糖转运途径及中心代谢网络高效合成N-乙酰氨基葡萄糖
发布时间：2021-03-11 06:06
氨基葡萄糖（GlcN）及其衍生物N-乙酰氨基葡萄糖（GlcNAc）作为重要的功能单糖,被广泛应用于医药、食品营养、健康保健及化妆品等领域。据报道,2019年全球氨基葡萄糖市场总额约为50亿美元。随着生活质量的进一步提高以及人口老龄化问题的加剧,GlcN和GlcNAc类医药、食品营养保健品的全球需求会持续增加。目前,GlcN和GlcNAc的工业生产方法包括化学水解法、酶转化法和微生物发酵法。相比于化学水解法和酶转化法,微生物发酵法具有原料可再生、清洁、绿色等典型特征,是解决资源、能源和环境问题的重要途径。为此,本课题以一株产GlcNAc的食品安全级枯草芽孢杆菌BSGN6 PxylA-glmS（研究室保藏）为出发菌株,采用代谢工程手段从底物转运、碳代谢、能量代谢和产物运输方面进一步提高工程菌株的生产性能。主要研究内容如下:（1）优化葡萄糖转运途径。通过敲除出发菌BSGN6 PxylA-glmS的PTSGlc系统中EIIAGlc和EIIBCGlc组分编码基因yyzE、ypqE和pts...
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：108 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
GlcNAc的结构式及其化学性质Fig.1-1StructuralformulaandpropertiesofGlcNAc
途畚锖偷ヌ錥1,14]。与化学水解法相比，酶转化法反应条件温和、易操作且污染小，但是由于甲壳素不溶于水的缘故，导致酶转化法获得的GlcNAc产量低、转化率低、催化周期长。此外，转化获得的产物是壳二糖为主的混合物[14]，且在应用中酶不易实现反复使用，导致生产成本较高[1]。（3）微生物发酵法微生物发酵法是以葡萄糖为底物，通过工程菌株代谢作用，将葡萄糖转化为为GlcN和GlcNAc[1,13,15,16]。然而，GlcN对细胞具有毒性，因此微生物发酵法的产物通常是GlcNAc。在微生物中，葡萄糖经过5步反应转化GlcNAc，分别为（图1-2）：①胞外葡萄糖通过糖转运途径进入胞内，并磷酸化为葡萄糖-6磷酸（Glc-6P）；②Glc-6P在己糖异构酶的作用下生成果糖-6磷酸（Fru-6P）；③以谷氨酰胺作为氨基供体，通过氨基葡萄糖-6-磷酸合成酶生成氨基葡萄糖-6磷酸（GlcN-6P）；④GlcN-6P在氨基葡萄糖-6-磷乙酰化酶的催化下生成乙酰氨基葡萄糖-6磷酸（GlcNAc-6P）；⑤在磷酸酶和转运蛋白的作用下生成GlcNAc，并转运至胞外。相比于化学水解法和酶转化法，微生物发酵法具有安全、绿色、可持续、生产强度高、发酵时间短、操作易控、成本低、设备要求低、环境污染孝生产原料来源不受限制、发酵产物易分离等诸多优势[17]，而且使用食品安全菌株发酵法获得的GlcNAc不会携带过敏原，因此适用于所有人群[18]。近年来，随着代谢工程和合成生物技术的不断发展，利用工程技术手段可以实现对宿主微生物的代谢途径进行人工设计和改造。因此，通过代谢工程和合成生物手段获得高生产强度、高转化率和高产量的工程菌株以替代化学水解法运用于工业GlcNAc生产具有广阔的前景。图1-2微生物中GlcNAc的合成途径Fig.1-2GlcNAcbiosyntheticpathwayinmicrobes目前，用于微生物发酵法?
第一章绪论5的途径设计、组合优化、模块组装及调控网络编辑重构等合成生物学技术手段（图1-3）能有效地提高微生物目标产物的合成效率或赋予其合成新产物的能力[48,49]。从微生物合成目的产物的时空间顺序讲，代谢工程可以从物质原料内质化、胞内途径合成和目的产物运出角度入手。目前，代谢工程策略改造获得的微生物菌种已广泛应用于功能营养品、生物燃料以及精细化学品的生产，比如透明质酸[33]、丁二醇[50]及酮酸[51]等。图1-3代谢工程及合成生物学技术手段Fig.1-3Thestrategiesofmetabolicengineeringandsyntheticbiology（1）原料内质化微生物能将胞外的物质原料转运至胞内以用于代谢活动。在物质原料内质化过程中，载体蛋白协同作用和代谢调控会显著影响细胞生理与合成代谢，通过代谢工程手段调控转运过程可以实现解除限速步骤、平衡代谢流及促进产物合成的目的。在微生物中，底物内质化的方式包括ABC转运系统（ATP-bindingcassettetransporters）、MSF转运系统（Majorfacilitatorsuperfamily）及PTS系统等[52,53]。以葡萄糖转例，其作为一个代表性的碳源，常被用于细胞对环境中营养原料的转运、代谢和调控的研究[44]。截止到目前，研究人员已经从分子水平层次描述过上百个菌种葡萄糖转运系统的特征，揭示了几百个葡萄糖转运载体的相关序列信息[54]。其中，PTS是一类普遍存在于细菌中的碳水化合物及氮源的磷酸转运系统，也是细菌内质化胞外葡萄糖最主要的方式，其能将胞外葡萄糖内质化的同时进行磷酸化，直接生成葡萄糖-6-磷酸进入胞内代谢[55]。同时，该系统在细胞感应环境变化、碳水化合物代谢和调控碳氮代谢等方面也起着重要作用[44]。根据底物特异性可以将PTS途径组成分为：非底物特异的磷酸烯醇式丙酮酸依赖性?
【参考文献】：
博士论文
[1]代谢工程改造枯草芽孢杆菌高效合成N-乙酰氨基葡萄糖[D]. 刘延峰.江南大学 2015
本文编号：3075991
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：108 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
GlcNAc的结构式及其化学性质Fig.1-1StructuralformulaandpropertiesofGlcNAc
途畚锖偷ヌ錥1,14]。与化学水解法相比，酶转化法反应条件温和、易操作且污染小，但是由于甲壳素不溶于水的缘故，导致酶转化法获得的GlcNAc产量低、转化率低、催化周期长。此外，转化获得的产物是壳二糖为主的混合物[14]，且在应用中酶不易实现反复使用，导致生产成本较高[1]。（3）微生物发酵法微生物发酵法是以葡萄糖为底物，通过工程菌株代谢作用，将葡萄糖转化为为GlcN和GlcNAc[1,13,15,16]。然而，GlcN对细胞具有毒性，因此微生物发酵法的产物通常是GlcNAc。在微生物中，葡萄糖经过5步反应转化GlcNAc，分别为（图1-2）：①胞外葡萄糖通过糖转运途径进入胞内，并磷酸化为葡萄糖-6磷酸（Glc-6P）；②Glc-6P在己糖异构酶的作用下生成果糖-6磷酸（Fru-6P）；③以谷氨酰胺作为氨基供体，通过氨基葡萄糖-6-磷酸合成酶生成氨基葡萄糖-6磷酸（GlcN-6P）；④GlcN-6P在氨基葡萄糖-6-磷乙酰化酶的催化下生成乙酰氨基葡萄糖-6磷酸（GlcNAc-6P）；⑤在磷酸酶和转运蛋白的作用下生成GlcNAc，并转运至胞外。相比于化学水解法和酶转化法，微生物发酵法具有安全、绿色、可持续、生产强度高、发酵时间短、操作易控、成本低、设备要求低、环境污染孝生产原料来源不受限制、发酵产物易分离等诸多优势[17]，而且使用食品安全菌株发酵法获得的GlcNAc不会携带过敏原，因此适用于所有人群[18]。近年来，随着代谢工程和合成生物技术的不断发展，利用工程技术手段可以实现对宿主微生物的代谢途径进行人工设计和改造。因此，通过代谢工程和合成生物手段获得高生产强度、高转化率和高产量的工程菌株以替代化学水解法运用于工业GlcNAc生产具有广阔的前景。图1-2微生物中GlcNAc的合成途径Fig.1-2GlcNAcbiosyntheticpathwayinmicrobes目前，用于微生物发酵法?
第一章绪论5的途径设计、组合优化、模块组装及调控网络编辑重构等合成生物学技术手段（图1-3）能有效地提高微生物目标产物的合成效率或赋予其合成新产物的能力[48,49]。从微生物合成目的产物的时空间顺序讲，代谢工程可以从物质原料内质化、胞内途径合成和目的产物运出角度入手。目前，代谢工程策略改造获得的微生物菌种已广泛应用于功能营养品、生物燃料以及精细化学品的生产，比如透明质酸[33]、丁二醇[50]及酮酸[51]等。图1-3代谢工程及合成生物学技术手段Fig.1-3Thestrategiesofmetabolicengineeringandsyntheticbiology（1）原料内质化微生物能将胞外的物质原料转运至胞内以用于代谢活动。在物质原料内质化过程中，载体蛋白协同作用和代谢调控会显著影响细胞生理与合成代谢，通过代谢工程手段调控转运过程可以实现解除限速步骤、平衡代谢流及促进产物合成的目的。在微生物中，底物内质化的方式包括ABC转运系统（ATP-bindingcassettetransporters）、MSF转运系统（Majorfacilitatorsuperfamily）及PTS系统等[52,53]。以葡萄糖转例，其作为一个代表性的碳源，常被用于细胞对环境中营养原料的转运、代谢和调控的研究[44]。截止到目前，研究人员已经从分子水平层次描述过上百个菌种葡萄糖转运系统的特征，揭示了几百个葡萄糖转运载体的相关序列信息[54]。其中，PTS是一类普遍存在于细菌中的碳水化合物及氮源的磷酸转运系统，也是细菌内质化胞外葡萄糖最主要的方式，其能将胞外葡萄糖内质化的同时进行磷酸化，直接生成葡萄糖-6-磷酸进入胞内代谢[55]。同时，该系统在细胞感应环境变化、碳水化合物代谢和调控碳氮代谢等方面也起着重要作用[44]。根据底物特异性可以将PTS途径组成分为：非底物特异的磷酸烯醇式丙酮酸依赖性?
【参考文献】：
博士论文
[1]代谢工程改造枯草芽孢杆菌高效合成N-乙酰氨基葡萄糖[D]. 刘延峰.江南大学 2015
本文编号：3075991
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