丙酮丁醇梭菌耐受木质纤维素预处理抑制物的分子机制及调控

Inhibitors produced from the pretreatment process severely limit the fermentability of lignocellulose substrates. When exposed to the inhibitors, Clostridium acetobutylicm owns an unique responding mechanism to tolerate the stress, the molecular mechanism of which forms the foundation of rational designing the strains with high tolerance ability. This application focuses on the dynamic changes of proteome and transcriptome of C. acetobutylicm ATCC 824 and its mutant growing on the glucose medium with major lignocellulose inhibitors including 5-hydroxymethyl furfural, furfural and acetate. By integrating the ‘-omics’ information, the interactions and regulatory network between the molecules will be achieved. By deleting, rescuing and over-expressing the potential key genes, the bio-function and working mechanism of genes responsible for tolerance ability can be elucidated. We can possibly modify the resistance ability of the strains by combination expressing the key genes. Our study will provide the theory base and modification strategies for rational design of high butanol producing strain.

预处理抑制物是制约木质纤维素基质可发酵性的重要因素。在受到抑制物胁迫时，Clostridium acetobutylicm细胞往往产生一套应激机制来应对胁迫，解析这种应激机制的分子基础与发生过程是理性构建高耐受菌株的关键。本项目以C. acetobutylicm ATCC 824及其高耐受突变菌为研究对象，以菌种应激主要抑制物（糠醛、5-羟甲基糠醛和乙酸）为研究模型，运用组学整合技术，比较分析各类型菌株在不同浓度抑制物中细胞转录组和蛋白质组随丁醇发酵的动态应答过程，构建分子相互作用及调控网络，并对处于关键节点位置的调控基因进行敲除、回补与强化，定向改变细胞的耐受能力，以期系统阐明C. acetobutylicm适应并耐受主要预处理抑制物的分子机制，并建立调控策略；采用定向改造技术，构建高耐受性优良菌株，为我国生物质能源体系迫切需要解决的木质纤维素生物转化关键技术问题提供理论依据和方法指导。

预处理抑制物是制约木质纤维素基质可发酵性的重要因素。解析丙酮丁醇梭菌耐受抑制物的分子基础与发生过程是理性构建高耐受菌株的关键。本研究项目以C. acetobutylicm ATCC 824为研究对象，首先基于机器学习模型，结合过程参数可视化、组合诱变等技术，筛选了一株高耐受糠醛、高产丁醇的菌株。随后运用组学整合技术，比较分析不同菌株在糠醛抑制条件下细胞转录组和蛋白质组随丁醇发酵的动态应答过程，构建分子相互作用及调控网络。通过组学联合分析，证明丙酮丁醇梭菌耐受抑制物是多种代谢路径综合参与的结果，并首次发现的关键基因包括：参与DNA修复的CA_C2674, CA_C2673, CA_C1837, CA_C2082；参与细胞膜信号传递的CA_RS18505；参与运输系统和鞭毛装配的CA_RS02135、 CA_RS08860、 CA_RS1498、 CA_RS18505和CA_RS11020；分子伴侣CA_RS05030等基因，并初步揭示了其分子机制。最后将获得的优良菌株进行醋渣高值化利用，采用蒸汽爆破预处理结合酶解作用，建立醋渣废料高效制糖工艺。在不经脱毒的情况下厌氧发酵，可获得丁醇为7.98 g/L，乙醇-丁醇-丙酮混合溶剂（ABE）为12.59 g/L。本研究为我国生物质能源体系迫切需要解决的木质纤维素生物转化关键技术问题提供理论依据和方法指导。