氧化葡萄糖酸杆菌代谢机理研究及应用

Gluconobacter oxydans are able to oxidize many compounds incompletely to accumulate the corresponding aldehydes, ketones and organic acids in the culture medium by using membrane-bound dehydrogenases localized on the outer surface of the cytoplasmic membrane. Because these organisms can oxidize many substrates to useful products, G.oxydans strains are wildly used in industry. However, comparatively inexpensive glucose is not a preferred carbon source for the strains, owing to their unique property, sorbitol and mannose are commonly used as carbon sources instead of glucose when G.oxydans were cultured. In this project, we applied metabolic engineering in order to generate strains with an improved growth yield and the biotransformation property of some reactions on glucose.

氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter oxydans）能够利用丰富的膜结合脱氢酶氧化多种底物，生产相应的酮、醛或酸，其中很多催化产物是重要的药物前体或化工原料，因此在工业上有着广泛的应用。然而，对氧化葡萄糖酸杆菌高密度培养的研究主要集中在以山梨醇或甘露醇为碳源的培养基的优化上。本项目拟从代谢工程分析和改造的角度，以价格相对低廉的葡萄糖代替山梨醇或甘露醇为营养源培养氧化葡萄糖酸杆菌，并以进一步提高该菌相关催化反应的生物催化效率为目标，深入研究氧化葡萄糖酸杆菌对葡萄糖的代谢工程，从多方面考察促进细胞在葡萄糖培养基上的生长，提高相关催化反应效率的方案并加以实施。

氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter oxydans）能够利用丰富的膜结合脱氢酶氧化多种底物，生产相应的酮、醛或酸，其中很多催化产物是重要的药物前体或化工原料，因此在工业上有着广泛的应用。然而，对氧化葡萄糖酸杆菌高密度培养的研究主要集中在以山梨醇或甘露醇为碳源的培养基的优化上。本项目从代谢工程分析和改造的角度，以价格相对低廉的葡萄糖代替山梨醇或甘露醇为营养源培养氧化葡萄糖酸杆菌，并以进一步提高该菌相关催化反应的生物催化效率为目标，深入研究氧化葡萄糖酸杆菌对葡萄糖的代谢工程。通过基因敲除技术，我们获得了一株可以在葡萄糖上获得良好生长和催化功能的氧化葡萄糖酸杆菌突变菌株，本项目在对该菌株进一步的研究中发现，在对葡萄糖的代谢过程中，葡萄糖进入到氧化葡萄糖酸杆菌后主要是由胞内葡糖激酶（GLK）磷酸化后进一步进入磷酸戊糖途径（PP）途径代谢，而没有被可溶性葡萄糖脱氢酶(sGDH)脱氢生成葡萄糖酸后再进一步进入 PP 途径代谢。当以木糖作为碳源培养氧化葡萄糖酸杆菌时，大部分木糖直接被膜结合葡萄糖脱氢酶氧化生成木糖酸，木糖酸进入胞内后进一步被降解以用于生长；只有一小部分的木糖透膜后经过氧化还原途径被利用。此外，我们还构建了一株二羟基丙酮高产菌氧化葡萄糖酸杆菌GAN，该菌在葡萄糖培养基上的生物量得率（0.14–0.17 gDCW/g）比山梨醇（0.011–0.014 gDCW/g）的多十倍以上，并且葡萄糖培养基上得到的菌株静息细胞氧化甘油为DHA的能力最强，达到预期的目的。