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[2017.11.27] 以色列Edward A. Bayer教授和Raphael Lamed教授来访。

在中国国家自然科学基金委和以色列科学基金会(NSFC-ISF)联合项目资助下,以色列魏兹曼研究所Edward A. Bayer教授和特拉维夫大学Raphael Lamed教授带领其研究人员来青岛生物能源所对我们团队进行了访问。Bayer教授在研究所进行了题为"Cellulosomes, designer cellulosomes and designer bacteria for conversion of cellulosic biomass to biofuels"的学术报告,Bayer教授实验室的博士后Iván Muñoz-Gutiérrez进行了题为"Decoding biomass-sensing regulons of Clostridium thermocellum alternative sigma factors"的学术报告。来访人员和代谢物组学团队就本合作项目已开展的工作和未来的研究计划进行了深入细致的讨论。该NSFC-ISF联合项目主要针对纤维小体的调控系统进行研究,项目执行期为2017.1-2019.12,本团队冯银刚研究员和魏兹曼研究所Edward A.Bayer教授分别为该联合项目的中方和以方负责人。

[2017.6.12]本团队与酶工程团队合作在PNAS发表论文解析P450单加氧酶对烷基酚侧链的碳氢键选择性氧化机制。[出版社全文链接]

详见研究所网页新闻:http://www.qibebt.cas.cn/xwzx/tpxw/201706/t20170613_4811703.html

[2017.5.23]本团队在裂殖壶菌低温胁迫应答机制研究方面取得进展

本团队在微藻生物学重要国际刊物Algal Research上发表一篇关于裂殖壶菌低温胁迫应答机制方面的研究论文。低温是微生物经常遇到的胁迫环境,在这种环境下细胞内的代谢将发生剧烈变化。本文重点研究了在正常与低温条件下裂殖壶菌胞内蛋白质组的变化,并与相应的转录组数据进行比较。研究表明,冷应激抑制了裂殖壶菌糖酵解和TCA循环的代谢强度,而戊糖磷酸途径不受影响,确保了足够的还原力NADPH和核糖供应合成代谢。在脂质合成方面,低温分别导致了脂肪酸合成酶和多不饱和脂肪酸合成酶的显着下调和上调,同时限制了二酰基甘油O-酰基转移酶和磷脂:二酰基甘油酰基转移酶的合成。这些结果说明在低温胁迫条件下,裂殖壶菌优先保证多不饱和脂肪酸和磷脂的生物合成,用于在寒冷环境中增加细胞存活率。该论文的第一作者为博士生马增新,通讯作者为宋晓金副研究员,并得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及青岛市科技发展计划项目的资助。

详见原文:

Zengxin Ma, Miaomiao Tian, Yanzhen Tan, Guzhen Cui, Yingang Feng, Qiu Cui, and Xiaojin Song* (2017) Response mechanism of the docosahexaenoic acid producer Aurantiochytrium under cold stress. Algal Res. 25, 191-199.[出版社全文链接]

[2017.5.12]本团队开发新型的木质纤维素糖化高效全菌催化剂

如何实现木质纤维素生物质这一低值原料的高值化利用,一直是国内外的研究热点。中国科学院青岛生物能源与过程研究所代谢物组学团队以打破国外技术垄断、突破木质纤维素糖化技术瓶颈为研究目标,长期致力于热纤梭菌等纤维素降解菌的遗传改造及代谢工程研究,利用团队前期开发的一系列基因操作工具(J Microbiol Methods, 2012, 89: 201-8.; PloS One 2013, 8:e69032; Appl Microbiol Biotechnol, 2014, 98: 313-23; Biotechnol Biofuels, 2015, 8: 36.),通过对热纤梭菌及其纤维素降解酶系——纤维小体的定向改造,构建了新型的工程菌株,可以作为全菌催化剂实现木质纤维素底物到可发酵糖的高效转化,有力促进了木质纤维素生物转化的工业化进程。相关成果已于2017年5月12日在线发表于Biotechnology for Biofuels [Zhang J, et al, 2017, 10(1):124],其中,博士生张杰为该论文的第一作者,崔球研究员和刘亚君副研究员为该论文的通讯作者。

木质纤维素基生物质以其客观的储量及可再生性,被公认为最优质的能源替代品之一,另一方面,农林废弃物等主要的木质纤维素原料的不合理处置,还会极大增加环境压力,引起包括水体污染、焚烧雾霾等严重的环境污染问题。因此,非粮木质纤维素的高效利用是亟待解决的全球性问题,对实现经济的可持续发展具有重要的战略意义。然而,木质纤维素生物质的工业化、规模化和商业化应用仍未真正展开,其主要原因在于尚未突破木质纤维素高效、低成本转化为可发酵糖的这一瓶颈步骤。

纤维小体是目前已知自然界中最高效的纤维素降解分子机器之一,作为典型的产纤维小体菌株,热纤梭菌(Clostridium thermocellum)具有天然高效降解纤维素底物的特性,因为被认为是最有前景的可以通过整合生物加工技术的策略实现木质纤维素基高效生物催化转化的菌株。然而,已有的野生菌株及其纤维小体存在底物水解活力受酶催化产物的反馈抑制等不足之处,不能适应工业化的要求。虽然前人通过添加外源的β-葡萄糖苷酶的方式可以解除这一反馈抑制作用,但额外酶的添加会显著提高糖化过程的用酶成本。

针对这一研究现状,代谢物组学团队对热纤梭菌及其纤维小体进行有针对的定向改造,通过建立无疤基因组编辑系统,将源于极端嗜热菌的β-葡萄糖苷酶CaBglA与关键纤维小体酶Cel48S进行融合表达并组装到胞外纤维小体上,从而获得重组菌株DSM1313::CaBglA(图1)。利用该重组菌株作为全菌催化剂进行糖化反应发现,以100 g/L微晶纤维素为底物时,其还原糖产量达489 mM(以葡萄糖分子量换算为约88 g/L)(图2)。该菌高效降解纤维素及生产可发酵糖的能力证明了木质纤维素的全菌催化糖化策略在工业化应用中的可行性。

该研究拓展了木质纤维素糖化的新视野,突破了木质纤维素糖化的技术瓶颈,大大推动了工业发酵领域中木质纤维素糖作为碳源对淀粉糖的全面替代。

图1. 热纤梭菌重组菌株DSM1313::CaBglA的构建及验证。

 

图2 糖化过程中,热纤梭菌重组菌株DSM1313::CaBglA还原糖生产水平(实线)及pH变化(虚线)分析。红色为菌体浓缩1.6倍,黑色为菌体浓缩2.4倍。

详见原文:

Jie Zhang, Shiyue Liu, Renmin Li, Wei Hong, Yan Xiao, Yingang Feng, Qiu Cui* and Ya‑Jun Liu* (2017) Efficient whole-cell-catalyzing cellulose saccharification using engineered Clostridium thermocellum. Biotechnol. Biofuels 10, 124. [出版社全文链接]

[2017.5.11] 研究进展:蛋白质O-糖基化修饰提高稳定性的结构机制。

本团队与美国科罗拉多大学谭忠平(Zhongpin Tan)教授实验室合作,通过核磁共振技术研究了O-糖基化修饰的糖结合模块(CBM)的结构和动态性质,揭示了不同位置和种类糖基化修饰对蛋白质稳定性影响的结构基础,研究结果发表在Biochemistry上。糖基化修饰是重要的蛋白质翻译后修饰,分为N糖基化和O糖基化,对N-糖基化对蛋白质的影响已有较多的研究,但对O-糖基化的研究相对较少。在谭教授实验室的前期研究中发现,不同位置的O-糖基化修饰和不同种类的糖修饰对来自里氏木霉的CBM的稳定性和蛋白酶抗性有完全不同的影响。本团队与谭教授实验室合作,通过核磁共振技术对一系列O-糖基化的CBM进行了研究,包括不同位置的O-甘露糖化,同一位置的O-葡萄糖化,以及对两个关键残基的突变体,通过比较分析它们的三维溶液结构和动态性质,揭示了在Ser3位O-甘露糖化导致稳定性增加的结构基础、葡萄糖化和甘露糖化造成稳定性差异的结构基础、周边氨基酸影响糖基化稳定效果的结构基础。这一工作为将来其他蛋白的糖工程的理性设计提供了有益的指导。本团队的研究得到了国家自然科学基金和国家留学基金的资助,本团队冯银刚研究员和科罗拉多大学谭忠平教授为论文的通讯作者。

详见原文:

Patrick K. Chaffey†, Xiaoyang Guan†, Chao Chen, Yuan Ruan, Xingfeng Wang, Amy H. Tran, Theo N. Koelsch, Qiu Cui, Yingang Feng*, and Zhongping Tan* (2017) Structural insight into the stabilizing effect of O-glycosylation. Biochemistry Inpress. [出版社全文链接]

[2017.3.9] 本团队在多不饱和脂肪酸的工业化清洁生产方面取得进展。

本团队在工程学重要国际刊物Bioresource Technology上发表了关于工业化发酵生产多不饱和脂肪酸(DHA和ARA)的废水回用技术的研究论文。在发酵行业中发酵废水的处理是制约行业发展的重要因素之一。研究表明,当直接利用发酵废水进行第二轮发酵生产时,DHA和ARA的产量受到了显著的抑制。而采用本研究开发的废水交叉回用技术后,这种抑制效用被解除,DHA和ARA的产量恢复至正常水平,同时废水排放量减少了50%以上。该论文的第一作者为宋晓金副研究员,通讯作者为崔球研究员,研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及"863"计划的资助。

 

图:DHA和ARA发酵生产中的废水回用技术路线。

详见原文:

Xiaojin Song, Zengxin Ma, Yanzhen Tan, Huidan Zhang, Qiu Cui* (2017) Wastewater recycling technology for fermentation in polyunsaturated fatty acid production. Bioresour. Technol. 235,79-86. [出版社全文链接]

 

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