工业类球红细菌中氧化呼吸链与辅酶Q10积累机制解析和高产策略研究

Co-enzyme Q10 (Q10) is an important component of respiratory chain in some special bacterial and human beings. As a high value-added nutraceutical antioxidant, Q10 has excellent capacity to prevent cardiovascular disease. The content of Q10 in industrial strain, Rhodobacter sphaeroides HY is hundreds times higher than its normal physiological level. Based on our studies, we found that by over-expression or optimization of the synthetic pathway, there are no effect on Q10 over-production. Hence, we planning to decipher the role of respiratory chain in excessive accumulation of Q10 in R. sphaeroides HY. Based on the understanding of this mechanism, a strategy for over-production of Q10 will be developed. Initially, the gene transcription, protein expression and metabolites in different strains (industrial strain vs R. sphaeroides wild type) and conditions (different time points of industrial strain in industrial-scale fermentor) will be detected by omics analysis. Then, based on omics data analysis, a model or hypothesis on the regulatory mechanism of respiratory chain of Q10 accumulation will be proposed. Subsequently in vivo molecular mechanism investigation and in vitro respiratory chain reconstitution will be carried out to verify the mechanism. Lastly, a metabolic engineering strategy will be developed for the over-production of Q10 in industrial strain. In summary, this project not only help to understand the basic mechanism of respiratory chain of R. sphaeroides and it also help to consolidate the global leading position of Q10 industrial manufacturing in China.

辅酶Q10(简称Q10)是人和少数细菌体内呼吸链电子传递的关键组分，也是一种具有多重保健功效的高级营养品，尤其对心血管疾病有极好的防治效果。工业类球红细菌(简称工业菌)中Q10的积累是细胞正常生理需要量的数百倍以上。申请者拟围绕辅酶Q10的积累机制这一关键科学问题，以呼吸链为切入点对Q10的积累展开研究。项目首先利用组学考察工业菌和野生型以及工业菌在不同发酵周期下的基因转录、蛋白表达和代谢物的差异；随后利用组学数据考察与氧化呼吸链相关因素在不同条件下的变化规律并假设可能的作用机制或模型；然后用分子生物学和生物化学等方法验证作用机制并揭示呼吸链与Q10积累的关系；最后基于对工业菌中Q10积累机制的解析开发有效的高产策略提高Q10的工业发酵水平。本项目的顺利实施不仅能加深对基础生命活动作用规律的认识，也能巩固我国Q10工业制造水平的全球领先优势。

本项目围绕工业类球红细菌中辅酶Q10的积累机制这一关键科学问题，以呼吸链为切入点对Q10的积累展开研究。项目利用组学考察工业菌和野生型以及工业菌在不同发酵条件下转录和代谢差异；随后利用组学数据考察与氧化呼吸链相关因素在不同条件下的变化规律和作用机制，并利用分子生物学和生物化学等方法验证作用机制并揭示呼吸链与Q10积累的关系；最后基于对工业菌中Q10积累机制的解析开发了有效的高产策略提高Q10的工业发酵水平。本项目的研究内容涉及光合成，氧化呼吸链和能量代谢等，有助于加深我们对基础生命活动作用规律的认识和理解，这也将为后续进一步开发类球红细菌用作营养品合成的工业底盘生物打下理论基础。另外，该项目的实施也将帮助巩固我国辅酶Q10工业制造水平在全球领先的优势地位，同时也能更好的满足国内市场对于辅酶Q10的需求。项目在执行过程中，已经在Nature Communications, Synthetic and Systems Biotechnology等期刊发表第一标注研究论文3篇，申请国家发明专利2项，同时培养研究生4名。该项目研究成果获得联合国工业发展组织上海全球科技创新中心颁发的全球科技创新奖银奖。