枯草芽孢杆菌基因组最小化的研究

本项目采用比较基因组学、基因组尺度代谢网络的模拟、生理及实验数据分析相结合的方法预测枯草芽胞杆菌的基因必需性。然后通过实验对预测结果进行验证，利用无痕删除技术逐步从基因组中定点删除预测的非必需基因。在此基础上，采用基因组片段的随机删除技术获取合理预测方法所遗漏的非必需基因信息，并进一步精简基因组，构建具有适应特定生长环境、生长快速、遗传稳定等有利生理性状的基因组简化菌株。最后，对构建的基因组简化菌株作为底盘生产生物基产品核黄素的能力进行初步的研究。本项目的研究将加深对枯草芽胞杆菌在特定生长环境中维持正常生长所需要的最小基因集合的了解，具有十分重要的科学意义。同时，本项目针对核黄素的生产来构建基因组更为精简、高效的枯草芽胞杆菌，为通过合成生物学技术进一步构建高产核黄素及其相关的核苷类等生物基产品的优良"最小细胞工厂"奠定基础，因此本项目的研究也具有重要的应用潜力。

生物技术和合成生物学研究的一个热点是优化细胞底盘，基因组简化是构建具有鲁棒性及应用潜力的底盘宿主的有效途径之一。研究者预期基因组上的原噬菌体及其他非必需区域的删除将促进代谢途径及能量利用的优化，从而导致细胞代谢性能的提高。本项目采用基因组尺度代谢网络的模拟、生理及实验数据分析相结合的方法预测枯草芽胞杆菌的基因必需性。然后通过实验对预测结果进行验证，利用无痕删除技术逐步从基因组中定点删除预测的非必需基因，构建具有适应特定生长环境、生长快速、遗传稳定等有利生理性状的基因组简化菌株。最后，对构建的基因组简化菌株作为底盘生产鸟苷，胸苷，核黄素，2,3-丁二醇/乙偶姻等生物基产品的能力进行初步的研究。. 我们构建了基因组删减尺寸最高达846kb的一系列基因组简化菌株，这些菌株的比生长速率，孢子萌发率，转化效率和底物维持系数都表现出明显的下降，而细胞得率明显提高。随后，通过在基因组简化菌株中分别导入鸟苷，胸苷和核黄素合成相关的基因修饰，使这些产品的产量提高了77%~420%。对于溢流代谢产物2,3-丁二醇/乙偶姻，使用基因组简化细胞生产时其总产量仅提高不到10%。通过本研究我们证明了基因组简化菌株作为底盘细胞在生产核苷及其衍生物方面具有巨大的优势和更高的效率。. 本项目的研究加深了对枯草芽胞杆菌在特定生长环境中维持正常生长所需要的最小基因集合的了解，具有十分重要的科学意义。同时，本项目针对核苷、核黄素等产品构建了基因组更为精简、高效的枯草芽胞杆菌，为通过合成生物学技术进一步构建高产核黄素及其相关的核苷类等生物基产品的优良"最小细胞工厂"奠定基础，因此本项目的研究也具有重要的应用潜力。