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[2015.11.21]本团队参加第十四次中国暨国际生物物理大会。

2015 年11月16-20日,本团队冯银刚研究员和博士生姚形哲、魏真参加了在云南昆明举办的第十四次中国暨国际生物物理大会。该会议由中国生物物理学会和中国 科学院生物物理研究所主办,是国内生物物理科学研究领域最大规模、高水准的学术盛会,共有来自全国各主要高校和研究机构,以及海外的近千位学者参加。本团 队冯银刚研究员在会上做了题为"Structure and Function of Transmembrane Extracytoplasmic Function (ECF) Anti-σ Factors for Cellulosome Regulation in Clostridium thermocellum"的口头报告,博士生姚形哲展示了题为"Structure and Function of Cellulosomal assembling modules from Clostridium acetobutylicum"的墙报并获得该次大会的墙报奖。

[2015.10.31]本团队在纤维小体的研究中发现类膨胀因子可以整合到纤维小体中并促进纤维素的降解,相关论文发表在Appl. Microbiol. Biotechnol.上。

纤维小体作为自然界中最高效的纤维素降解机器,具有极其复杂的组分和结构。我们在一株已测序的梭菌Clostridium clariflavumDSM 19732的基因组中发现存在两个类膨胀因子基因,这两个基因同时带有用于组装到纤维小体的对接模块,因此可能是纤维小体的组分。已有多篇文献报道指出, 细菌的类膨胀因子自身虽不具有降解纤维素的活性,但当把他们和纤维素酶混合时,可以促进纤维素酶的活性,呈现出一种协同作用。因此我们研究了这两个带有对 接模块的类膨胀因子的功能。当把两个重组表达的游离的类膨胀因子模块和热纤梭菌或DSM 19732的纤维小体混合时,可以提高纤维小体的活性,呈现出类膨胀因子功能。当把他们通过对接模块整合到三功能的人工纤维小体上时,和游离类膨胀因子相 比,整合进纤维小体可以进一步提高人工纤维小体的活性。序列和结构分析表明这两个蛋白具有和其他细菌类膨胀因子相同的功能机制。因此该研究证实不具有催化 活性的类膨胀因子可以增强纤维小体的活性,同时论文也讨论了细菌类膨胀因子和纤维小体的新模块可能蕴含的新的生理功能。

博士研究生陈超为论文的第一作者,崔球研究员和冯银刚研究员为论文的通讯作者。该工作得到了科技部973 和国家自然科学基金的资助。

原文链接:

Chao Chen, Zhenling Cui, Xiangfei Song, Ya-Jun Liu, Qiu Cui*, and Yingang Feng* (2015) Integration of bacterial expansin-like proteins into cellulosome promotes the cellulose degradation. Appl. Microbiol. Biotechnol. 100(5), 2203-2212.
http://dx.doi.org/10.1007/s00253-015-7071-6

[2015.9.25]本团队在Sci. Rep.上 发表关于DHA生产菌株裂殖壶菌在低温诱导条件下转录组变化情况的研究论文。

DHA(二 十二碳六烯酸)是一种重要的多不饱和脂肪酸,是大脑和视网膜的重要构成成分,对婴幼儿智力和视力发育至关重要。裂殖壶菌是一种海洋异养产油微生物,含油率 可以达到细胞干重的60%,DHA占总脂肪酸的40%以上,是理想的DHA发酵生产菌株。裂殖壶菌DHA合成机理尚不明确,其胞内的DHA含量受多种外界 环境条件的影响,其中低温可以显著提高胞内DHA所占比率。因此,对低温条件下裂殖壶菌胞内转录组水平的变化研究,有助于我们进一步理解裂殖壶菌的DHA 合成机理。该论文报道了一株高产DHA的裂殖壶菌SD116菌株在低温及常温条件下生长曲线及脂肪酸组成变化情况,利用高通量测序技术对其转录变化水平进 行研究,通过荧光定量PCR对油脂合成关键基因的表达变化情况进一步验证,该论文首次在转录水平上报道了低温胁迫时裂殖壶菌细胞代谢特别是脂肪酸及油脂合 成相关代谢的应激机制,有助于进一步阐明裂殖壶菌DHA合成调控机理。该论文的第一作者为博士研究生马增新,通讯作者为崔球研究员,宋晓金副研究员。该论 文得到了国家863项目、国家自然科学基金及青岛市科技发展计划项目的资助。

原文链接:

Zengxin Ma, Yanzhen Tan, Guzhen Cui, Yingang Feng, Qiu Cui* and Xiaojin Song* (2015) Transcriptome and gene expression analysis of DHA producer Aurantiochytrium under low temperature conditions. Sci. Rep. 5, 14446.

http://dx.doi.org/10.1038/srep14446

 

[2015.9.9]本团队在食品领域的重要国际刊物J. Agric. Food Chem.上 发表一篇关于一株高效生产角鲨烯的类酵母的鉴定和发酵优化的研究论文。角鲨烯是生物体内自然生成的一种活性物质,具有促进血液循环、活化机体细胞、抗氧 化、消炎杀菌、细胞修复等功能,广泛应用于食品、医药及化妆品行业。传统上,深海鱼油是角鲨烯的主要来源,但由于多种原因限制造成角鲨烯质量不稳定,供应 量不充足,且价格高昂。因此,目前急需找到一种工艺可控,质量稳定且安全无害的角鲨烯生产方式,而生物发酵法便符合上述要求。该论文报道了我们从广东省水 东湾分离获得的一株类酵母菌SD301,通过鉴定和分析发现是属于Pseudozyma属的一个新菌株,我们研究了其形态学及脂质组成等生理特性并对发酵 条件进行了优化,最终角鲨烯产量可达2.4 g/L,是目前报道的生物发酵法的最高产量。该菌株为角鲨烯的生物发酵法商业化生产提供了新的来源。该论文的第一作者为宋晓金副研究员,通讯作者为宋晓金 副研究员和崔球研究员。该论文得了到国家863项目及国家自然科学基金项目的资助。

原文链接:

Xiaojin Song*, Xiaolong Wang, Yanzhen Tan, Yingang Feng, Wenli Li and Qiu Cui* (2015) High production of squalene using a newly isolated yeast-like strain Pseudozyma sp. SD301. J. Agric. Food Chem. 63(38), 8445-4851. (*Corresponding author)

http://dx.doi.org/10.1021/acs.jafc.5b03539

 

[2015.8.22]第 十九届国际磁共振学会(ISMAR)会议于8月16至21日在上海举行。ISMAR会议是世界上最大的磁共振领域会议之一,自1971年开始举办,已成为 国际上交流磁共振领域最新进展的重要平台。本团队冯银刚研究员和博士生陈超参加了此次会议,并在会议上分别作了"NMR Structures of Cellulosomal Cohesin and Dockerin fromClostridium acetobutylicum Reveal a Distinct Binding Mode with Low Synergistic Effect"和"Solution Structure of Dockerin Modules from Clostridium thermocellum"的报告,展示了本团队使用核磁共振技术在纤维小体领域的研究进展。

[2015.6.6]本 团队在微藻油脂积累及其代谢机制研究中取得进展。能够在细胞内大量积累油脂的光合微藻是目前最有潜力的生物燃料来源之一。本团队在微藻的油脂积累和代谢机 制方面进行了系统深入的研究,实现了光合微藻代表性藻株——微拟球藻——的油脂和生物质的同时积累,相关成果6月6日在线发表于Algal Research。

目前对微藻积 累油脂最常用的策略是通过营养限制条件下(最常见的是氮缺乏)产生的环境压力促进油脂积累,然而该策略的营养限制同时会导致细胞生长缓慢,生物质的积累量 较低,最终导致总油脂产量低下。因此获得油脂和生物质的同时积累是目前微藻生产生物燃料的重要挑战之一。本团队的肖艳副研究员等发现微拟球藻在稳态连续培 养、没有营养限制的氮充足条件下,可以通过调节光强处于光饱和区域,实现油脂和生物质的同时积累。通过分析不同光强下微拟球藻的脂组和代谢组,发现高光条 件下积累的油脂更有利于提高生物柴油的性能,而且在油脂积累过程中存在极性脂到中性脂的转化以及渗透质的减少。此外,在营养充足条件下,碳水化合物得到了 大量的积累,其中含量最高的是海藻糖,占到总生物质的7%-11%,可能作为压力保护或能量存储的物质。元素分析表明,高光条件下微拟球藻的生物质具有高 的碳氮比和总热值,更适合用作生物燃料。该研究工作的结果表明,光饱和诱导的油脂积累可能是比营养限制诱导油脂积累更好的光合微藻培养策略。

上述研究由崔球研究员和冯银刚研究员主持完成,获得了所长创新基金"一三五"专项、科技部863计划、国家自然科学基金委以及山东省优秀中青年科学家科研奖励基金的支持。

图1. 氮源充足和不同光强条件下对微拟球藻的培养。(A)稳态连续培养方式示意图。(B)不同光强条件下培养管中的最终微拟球藻生长情况。(C)不同光强下生物质、油脂和中性脂的产率对比。HL,高光;ML,中光;LL,低光。

 

原文链接:

Yan Xiao, Jingtao Zhang, Jiatao Cui, Xingzhe Yao, Zhijie Sun, Yingang Feng* and Qiu Cui* (2015) Simultaneous accumulation of neutral lipids and biomass in Nannochloropsis oceanica IMET1 under high light intensity and nitrogen replete conditions. Algal Res. 11, 55-62. (*Corresponding author)

http://dx.doi.org/10.1016/j.algal.2015.05.019

[2015.3.24]代谢物组学团队成员参加2015"赢创与科学"中国研讨会。

赢 创工业集团是一家源自于德国的全球领先的创新型国际工业集团,主要从事特种化工产品的研发、生产和销售。"赢创与科学"中国研讨会于3月22日至23日在 北京举行,本次主题为"工业生物技术"。这是该活动自2004年以来连续第八次举行,与会的有百余名来自国内权威生物技术研究所、知名大学以及赢创的专家 与教授。

我团队崔球研究员,孙志杰、宋晓金副研究员参加了此 次研讨会。崔球研究员在会上作了名为"Strain Development for Polyunsaturated Fatty Acid Production"的研究报告,重点介绍了我团队在多不饱和脂肪酸生产菌株选育与发酵代谢调控方面进行的研究工作。宋晓金副研究员展示的墙报"The Efficient Production of Squalene Using Biological Fermentation Method"在优秀墙报评比活动中荣获第二名。

[2015.3.4]本团队开发出新型梭菌可控基因操作系统,于2015年3月4日发表在线发表于Biotechnology for Biofuels (Zhang J, et al, 2015, 8:36),这是本团队在梭菌遗传改造研究中的又一重要进展。

解 纤维梭菌(Clostridium cellulolyticum)及其他纤维素降解梭菌能够通过整合生物加工技术的策略实现木质纤维素基生物燃料及化学品的合成。国内外研究学者已经针对梭 菌开发出不同的遗传改造工具,包括用于基因敲除的同源重组及二类内含子打靶方法,和用于外源基因表达的基因组整合及质粒表达方法等。然而,到目前为止,还 较缺乏实现基因可控诱导表达的高效、严谨的工具。本团队长期致力于梭菌高效遗传改造平台的建立,在前期开发和优化的一系列基因操作工具(Cui GZ, et al, J Microbiol Methods, 2012, 89: 201-8.; Mohr G, Hong W, et al, PloS One 2013, 8:e69032; Cui GZ, Appl Microbiol Biotechnol, 2014, 98: 313-23.)的基础上,近期又进一步开发了新型的梭菌可控基因操作系统,该系统将有力推动梭菌的代谢工程研究,从而促进木质纤维素生物转化的工业化进 程。在该研究中,我们构建了以阿拉伯糖为特异性诱导剂的高效可控诱导表达系统ARAi,该系统包括一个具有不依赖于氧气的荧光蛋白报告基因的诱导表达平 台,一个基于毒力基因MazF的灵敏的反筛标记,以及一个可用于基因精准打靶的诱导型ClosTron系统。ARAi所具有的阿拉伯糖诱导启动子来源于丙 酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum),在有诱导剂存在的条件下,其基因表达水平能上调800倍以上,这是梭菌诱导表达系统中已知的最高的诱导效率。此外,该研 究构建的诱导型ClosTron系统的脱靶率从原先的100%下降到0,彻底解决ClosTron的脱靶问题,实现了精准的基因敲除。该研究开发的新型的 可控诱导型基因操作系统ARAi在梭菌中具有较高的诱导效率和严谨性,既可用于基因的可控表达,也可用于基因的精准打靶。因此,该研究为梭菌的系统生物学 研究和代谢工程改造提供了有力的工具,将极大推动梭菌在木质纤维素生物转化中的应用。本团队的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。

基于对中温及嗜热梭菌遗传改造技术研究的成果和经验,本团队于2015年3月3日于Biotechnology Journal (Liu YJ, et al, 2015. doi:10.1002/biot.201400716)在线发表相关综述文章,对基于二类内含子的targetron基因打靶技术及其在代谢工程中的应用进行了系统的阐述,同时展示了本团队近年来在梭菌改造领域的最新进展。刘亚君副研究员为该论文的第一作者,崔球研究员为该论文的通讯作者。

上述研究获得了科技部973项目、国家自然科学基金,及青岛市科技发展基金等项目的资助。

[2015.2.15]我们在Biomol. NMR Assign.发表两篇关于蛋白质核磁共振化学位移指认的论文。2015年2月14日首先在线发表了一篇关于微拟球藻的翻译控制的肿瘤蛋白(TCTP)的化学位移指认的论文(全文链接)。 TCTP是一个真核生物中保守的和细胞生长、分化和凋亡相关的蛋白质,已有的研究多集中在动物、寄生虫以及酵母中,尚未有光合生物的TCTP的结构报道。 已有研究认为植物的TCTP可能具有一些植物特有的功能,而且植物的TCTP与真菌或动物的TCTP之间的同源性较低。微拟球藻是高产油脂的光合微藻,研 究和细胞生长相关蛋白可能有助于提高细胞的生长速率增加油脂产量,同时研究光合生物的TCTP可能揭示TCTP在光合生物种特有的功能。我们完成了 NoTCTP的化学位移指认,为后续的结构解析和功能分析提供了基础。2015年2月15日在线发表的第二篇论文是关于热纤梭菌的感应纤维素的跨膜 antisigma调控因子的周质空间结构域的化学位移指认(全文链接)。 热纤梭菌的纤维小体组分的转录受到多个sigma-antisigma因子的调控,其中antisigma因子感应胞外底物信号,并将其传导至胞内,释放 sigma因子来转录相关纤维小体基因。Antisigma因子是跨膜蛋白,包括胞外感应底物的多糖结合结构域,跨细胞壁区,周质空间结构域,跨膜螺旋和 胞质内结构域。其中周质空间结构域可能与信号的传导相关,但该结构域在蛋白质结构数据库中搜索不到同源蛋白,其结构和功能完全不清楚。我们完成了该结构域 的化学位移指认,为将来解析结构和功能研究提供了基础。

[2015.1.29]本团队在翻译控制的肿瘤蛋白(TCTP)参与的蛋白质相互作用研究中取得进展,相关成果2015年1月29日在线发表在J. Biol. Chem.上(http://dx.doi.org/10.1074/jbc.M114.628594)。该研究工作是冯银刚研究员和中科院生物物理所柯莎(Sarah Perrett)研究组长期合作获得的一项重要成果,揭示了TCTP与翻译延伸因子的相互作用可能代表了TCTP的一个基本生物学功能。

TCTP 是一个在真核生物中保守和富含的蛋白质,以往的研究发现该蛋白和细胞的生长、分化、凋亡相关,可能参与癌症发生、炎症反应等过程,并有大量的蛋白质相互作 用的报道。但是,已报道的参与相互作用的蛋白质大多数在真核生物中并不保守,无法代表TCTP在细胞中的基本生物学功能。真核生物翻译延伸因子 1B(eEF1B)是延伸因子1A的核苷交换因子,在所有真核生物中都存在,是由多个亚基形成的复合体,其中1Balpha,1Bbeta和 1Bdelta等具有交换因子活性。这些亚基中只有1Balpha是在真核生物中完全保守的,但所有的eEF1B的核苷交换因子组分的催化结构域都具有同 源性。曾有报道TCTP与eEF1B的delta亚基(eEF1Bdelta)之间存在相互作用,但对于TCTP和eEF1Bdelta之间相互作用的分 子和结构机制尚未有研究报道。

冯银刚研究员对TCTP进行了 多年的研究,曾在2007年报道了人TCTP的核磁共振溶液结构和钙结合位点,随后对TCTP参与的多种蛋白质相互作用进行了系统的研究。近年来冯银刚研 究员和生物物理所柯莎(Sarah Perrett)研究员合作,对TCTP与翻译延伸因子eEF1Bdelta的相互作用进行了深入的研究,通过核磁共振和等温滴定量热等方法鉴定了两个蛋 白质相互作用的关键区域和关键氨基酸残基,并计算了复合物的结构模型。研究结果表明,eEF1Bdelta上的一个新的CAR结构域是负责参与TCTP相 互作用的关键区域,该区域通过疏水和静电相互作用与TCTP形成复合体。序列分析表明,该结CAR结构域在所有真核生物的eEF1B复合体中的核苷交换因 子中都保守。进一步使用酵母和光合微藻(微拟球藻)的TCTP和eEF1Balpha蛋白对它们之间的相互作用进行验证,表明该相互作用在整个真核生物中 都保守,可能代表了TCTP的一个基本的生物学功能。TCTP与已报道的其他蛋白质的相互作用也都缺少相应的结构生物学研究,该研究工作为这些蛋白质相互 作用的进一步研究提供了一个范例。

该工作主要由冯银刚研究员 和柯莎研究员主持完成,主要研究人员包括柯莎课题组博士生吴惠文、副研究员宫维斌博士、青能所硕士生姚形哲、生物物理所王金凤研究员等人,冯银刚研究员和 柯莎研究员为论文的共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委及北京市自然科学基金委的资助。