产溶剂梭菌中溶剂合成调控网络的解析与重塑

Solventogenic clostridia, a group of important industrial microorganisms with special anaerobic metabolic pathways, are capable of producing a wealth of bulk chemicals and fuels. A better understanding of the regulation mechanism for solvents production in this anaerobe is of great importance for strain improvement. Here, an in-depth study will be performed to elucidate the molecular regulation of solvents production by clostridia, especially focusing on synthesis efficiency and product ratio, using the approaches of bioinformatics, transcriptomics and genome editing, etc. We will fully explore new regulators that are closely related to solventogenesis in Clostridium acetobutylicum ATCC 824, a model species of solventogenic clostridia. The regulatory pathways of some representative master regulators will be further analyzed to elucidate how they affect solvent synthesis efficiency and ratio, as well as the interactions among these regulators and intersections of their regulatory pathways, and thereby yielding a relatively complete and new regulatory network of solvents production in clostridia. Besides, the results obtained in C. acetobutylicum will be extended to Clostridium beijerinckii and Clostridium ljungdahlii, two other representative clostridia species capable of fermenting sugars and gases, respectively, for a universal study. On this basis, new strategies will be proposed for the genetic modification of solvent-producing pathways. We aim to break the natural limitations of metabolic regulation via remodeling and fine-tuning of the regulatory network, finally achieving the breakthrough and promotion of the solvent-producing ability of clostridia.

产溶剂梭菌可发酵生成多种大宗化学品及燃料，是一类具有特殊厌氧代谢途径的重要工业微生物。因此，深入研究其代谢的分子调控机制进而改善菌株的性能很有意义。本项目在前期工作的基础上，以梭菌溶剂合成的分子调控为切入点、以合成效率和产物比例这两个重要表型为视角，运用生物信息学、转录组学及基因组编辑等技术，全面发掘模式菌—丙酮丁醇梭菌ATCC 824中与溶剂合成密切相关的新型调控因子，深入解析代表性关键调控因子的分子调控通路及其影响溶剂合成效率和产物比例的作用机制与规律，阐明各调控因子之间的互作关系及调控路径交汇点，从而绘制出比较完整的、全新的梭菌溶剂合成分子调控网络图。此外，将模式菌的研究结果拓展至另两种代表性产溶剂梭菌—食糖拜氏梭菌和食气扬氏梭菌中，分析上述调控机制及网络的普适性。在此基础上，提出梭菌溶剂合成途径改造的新策略，并通过重塑调控网络和精细优化，打破自然局限，实现梭菌溶剂合成能力的突破。

产溶剂梭菌是一类具有特殊厌氧代谢途径的重要工业微生物，能够利用不同原料发酵生成多种大宗化学品及燃料。因此，深入研究其代谢的分子调控机制进而改善菌株的性能具有意义。本项目围绕产溶剂梭菌合成代谢，全面发掘几种代表性菌株中与溶剂合成密切相关的调控元件，深入解析关键调控因子的分子调控通路及其影响溶剂合成效率和产物比例的作用机制与规律，绘制梭菌溶剂合成分子调控网络图，并提出代谢途径改造的新策略。.根据本项目研究计划，我们以三株代表性产溶剂梭菌（模式菌丙酮丁醇梭菌、食糖拜氏梭菌和食气永达尔梭菌）为研究对象，通过生物信息学和比较基因组学的方法，阐明了它们溶剂合成的代谢特点，并预测和识别了基因组中所有转录调控因子（分别为241、465和407个）；完成了这些梭菌中大部分专有转录因子、共有转录因子以及相关元件的功能筛查，发现了一系列与溶剂合成相关的调控蛋白、sigma因子、短链非编码RNA以及翻译后修饰系统；揭示了关键调控因子在双向作用、交互应答和多层次互作等方面的调控特点和新机制，并提出了调控网络的工作模型；通过对代谢调控系统的分子改造及重塑，显著提高了菌株的发酵性能。.多种梭菌可以产乙酸，含有Wood-Ljungdahl途径。基于比较基因组学，我们对产乙酸菌的代谢途径和转录调控网络进行了重构，还重构了梭菌Sigma54的转录调控网络。此外，我们在国际上率先建立了两种适用于食气梭菌的功能基因高通量筛选方法，即基于转座子的Tn-seq以及基于Cas12a蛋白的CRISPRi技术。.项目取得的成果充实和完善了梭菌溶剂合成调控的知识库，为这类重要工业微生物的代谢网络优化及重塑提供了分子基础和新思路。总共发表论文27篇（其中本项目资助第一标注18篇），培养研究生12名，按计划完成了任务。