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[2019.5.20]本研究组在纤维小体转录调控因子研究中取得进展

(见研究所新闻http://www.qibebt.cas.cn/xwzx/tpxw/201905/t20190520_5297386.html)

  转录是RNA聚合酶根据基因的DNA序列合成信使RNA的过程,是基因表达的起始步骤。在细菌中,σ因子是RNA聚合酶识别基因启动子并起始转录的关键组分。近年来,在一些梭菌和杆菌中发现一类广泛存在的σ因子及其共转录的抗σ因子——SigI和RsgI,它们的一些结构域和已知蛋白没有同源性,代表了一类新的特殊的细菌σ/抗σ因子。热纤梭菌等一些产纤维小体细菌具有8-16对的SigI/RsgI因子,这在其他已知类型的σ/抗σ因子中比较少见。已有的研究表明这些SigI/RsgI因子负责纤维小体的调控表达,但其结构与功能机制仍未阐明。最近,青岛能源所代谢物组学研究组研究员冯银刚带领科研人员在热纤梭菌的纤维小体调控因子SigI/RsgI的结构功能机制研究中取得了新的进展,相关成果发表在具有高影响力的国际刊物Nucleic Acids Research上(该刊物最新影响因子为11.5)。

  纤维小体是由一些厌氧的梭菌分泌的多酶复合体,是高效的木质纤维素降解分子机器,在木质纤维素资源的降解利用和生物技术开发中有重要的应用价值。纤维小体的酶组分受到胞外底物种类的调控,关于纤维小体调控机制的研究对理解纤维小体的高效作用机制和纤维小体的应用开发都具有重要价值。代谢物组学研究组多年来致力于梭菌及其纤维小体的研究和应用开发,利用研究组自主研发的遗传操作硬件设备和软件工具,对热纤梭菌的生理生化、纤维小体的组装、合成调控与产物抑制、产物摄取与代谢等进行了系统的研究。为揭示SigI/RsgI在纤维小体调控中的作用机制,研究人员首先通过核磁共振实验阐明了RsgI与SigI的结合方式,并进一步解析了该复合体的三维结构。结果表明RsgI主要通过胞内结构域与SigI的C端结构域结合形成稳定的复合体,其中RsgI的胞内结构域是由β片构成的桶状结构,SigI的C端则由8个α螺旋形成紧密的结构,两者之间通过多种作用力形成稳定的复合体。这种复合物结构和已知的其他σ/抗σ因子复合物结构完全不同,代表了一类独特的σ/抗σ因子复合物结构类型。研究人员进一步通过结构和突变分析揭示了SigI上识别启动子-35区DNA的关键区域,并发现SigI/RsgI因子之间的识别特异性是通过两个蛋白质上的多对残基之间的协同作用实现的。

  这些研究结果揭示了这类新的σ/抗σ因子的结构功能机制,使人们对于细菌的转录过程和对胞外环境感应的分子机制有了更多的了解,同时也有助于增进人们对纤维小体调控机制的理解,可以为产纤维小体细菌的改造和应用提供基础。此外,σ/抗σ因子是合成生物学研究中的重要调控元件,新的σ/抗σ因子可以为合成生物学元件开发提供更多的选择性,而对其机制的理解将有助于改进这些元件的性能。

  该研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院和山东省的资助。在国家自然科学基金委的中以国际合作交流项目的资助下,以色列威兹曼科学研究所和特拉维夫大学的多位研究人员参与了该研究的完成。该研究部分高场核磁共振数据的收集得到了厦门大学高场核磁共振中心姚宏伟博士的大力协助。青岛能源所博士生魏真为该研究论文的第一作者,冯银刚研究员为论文的通讯作者,代谢物组学研究组多位学生和研究人员参与了该项目研究工作。

  图1. 新型σ/抗σ因子SigI/RsgI的复合物结构和已知的其他σ/抗σ因子的复合物结构完全不同。左图为SigI/RsgI的结构,右图为三种已知的其他σ/抗σ因子复合物的结构。

 

  原文链接:https://doi.org/10.1093/nar/gkz355

  Zhen Wei, Chao Chen, Ya-Jun Liu, Sheng Dong, Jie Li, Kuan Qi, Shiyue Liu, Xiaoke Ding, Lizett Ortiz de Ora, Iván Muoñz-Gutiérrez, Yifei Li, Hongwei Yao, Raphael Lamed, Edward A. Bayer, Qiu Cui, Yingang Feng* (2019) Alternative σI/anti-σI factors represent a unique form of bacterial σ/anti-σ complex. Nucleic Acids Res., gkz355.

 

[2019.2.25]本研究组提出全新木质纤维素整合生物糖化工艺

(见研究所新闻http://www.qibebt.cas.cn/xwzx/kyjz/201902/t20190225_5244427.html)

木质纤维素生物转化的经济性和清洁性,一直是阻碍秸秆等农林废弃物大规模利用的最大瓶颈。目前木质纤维素生物转化的主流策略是基于游离纤维素酶的同步糖化发酵工艺,但其中的核心酶技术被国外公司垄断,且用酶成本难以进一步降低,使现有工艺不具备市场竞争力。整合生物加工(consolidated bioprocessing, CBP)是近些年提出的木质纤维素转化策略,将纤维素酶的生产、木质纤维素底物酶解、最终产物发酵等环节整合到同一反应器中进行,具有简化流程、降低成本和设备要求等优势。但由于CBP策略将多个步骤在同一反应器中同时进行,需要对反应条件进行妥协平衡,难以同时获得高的产酶、酶解和发酵水平,而且最终产物单一且难以进行调整,大大限制了其应用范围。

为此,青岛能源所代谢物组学研究组另辟蹊径,提出了基于纤维小体全菌催化剂的木质纤维素整合生物糖化(Consolidated Bio-Saccharification,CBS)全新策略[Liu S, et al, 2019, 12(1):35]。该策略将酶的生产与水解步骤有机整合,同时将下游发酵步骤进行一定程度上的分立,以可发酵糖这一平台化合物作为目标产物,具有用酶成本低、过程简单、下游出口灵活等优势,有望在木质纤维素生物转化生产各种化学品、功能食品和药品中得到广泛应用。

纤维小体是热纤梭菌(Clostridium thermocellum)等厌氧微生物分泌的一种可以高效降解木质纤维素的超分子复合体,是已知的自然界中最高效的木质纤维素降解体系之一。代谢物组学研究组长期致力于热纤梭菌等纤维素降解菌及其纤维小体的遗传改造、作用机制及代谢工程研究,利用研究组自主研发的遗传操作硬件设备和软件工具,对热纤梭菌的生理生化、纤维小体的组装、合成调控与产物抑制、产物摄取与代谢等进行了系统的研究,对热纤梭菌及其纤维小体的功能机制与调控取得了深入的认识。在此基础上,该研究组于2017年首先成功开发了基于纤维小体的全菌催化剂,实现木质纤维素底物到可发酵糖的高效转化[Zhang J, et al, 2017, 10(1):124],初步建立了CBS工艺的雏形,但仍存在产物抑制未能充分解除、关键酶产量下降、糖化速度较慢等问题。

针对这些问题,该研究组通过对纤维小体的重新原位改造优化,构建了第二代全菌生物催化剂,并对培养基成分,接种量、种子培养,以及底物载量等影响过程效率的关键因素进行了优化,显著提高了糖化效率,缩短了糖化时间。在最佳条件下,用预处理的小麦秸秆作为底物,整个糖化工艺时间缩短了50%,糖产量达到0.795克/克,糖得率为89.3%(图1)。该工艺结合本实验室开发的与之匹配的木质纤维素预处理工艺,大大降低了木质纤维素糖化的成本,已经具备了工业化应用的可能。

这项工作为CBS的实现提供了一种新的全菌生物催化剂和与之匹配的优化工艺,证实CBS是一种可行的木质纤维素低成本高效利用策略。代谢物组学研究组在2019年2月18日在线发表于Biotechnology for Biofuels的研究论文中报告了该工艺策略,并在国际上首次正式提出"整合生物糖化(CBS)"的概念。代谢物组学研究组目前正在将该CBS工艺进行中试放大,建立基于该工艺的工业示范系统,有望极大地促进木质纤维素生物转化的工业化进程。

该研究组博士生刘世岳和刘亚君副研究员为该论文的共同一作,崔球研究员为该论文的通讯作者。该工作得到了中科院战略性先导专项、国家自然科学基金委、山东省自然科学基金委的资助。

图1. 在优化或常规条件下预处理麦秆的糖化分析。(a)100-mL厌氧瓶;(b)10-L厌氧发酵罐

 

原文链接:

https://biotechnologyforbiofuels.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13068-019-1374-2

Shiyue Liu†, Ya-Jun Liu†, Yingang Feng, Bin Li and Qiu Cui* (2019) Construction of consolidated bio-saccharification biocatalyst and process optimization for highly efficient lignocellulose solubilization. Biotechnol. Biofuels 12:35.

 

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