改变微生物分裂方式以提高其生长速度的研究

Most bacteria are grown via binary fission. To accelerate bacterial growth rates, this study aims to reprogram the bacterial growth pattern by regulating the expressions of fission ring (Z-ring) localization related min gene family, Z-ring formation related ftsZ gene family, increase number of origin of replication Ori for bacterial genome and splitting the genome into several smaller ones. It is expected that the microbial binary growth pattern be changed to multiple fission pattern so that the bacteria could be grown much faster than the binary fission ones. If a partial success is achieved, halophilic Halomonas bluephagenesis, a platform for the “Next generation industrial biotechnology”, will be reconstructed to grow in a multiple fission pattern similar to the so-constructed E. coli. Faster grown bacteria would be very important for increasing the competitiveness of biomanufacturing, especially for the bioplastic PHA.

大部分细菌都是采用二等分裂的方式进行生长的。为了提高细菌的生长速度，本项目拟对大肠杆菌进行分裂方式的重编程，包括对分裂环定位相关基因min系列、分裂环合成相关基因ftsz系列、增加基因组复制起始点Ori和基因组拆分相关基因等进行表达调控，以实现大肠杆菌从二等分裂变成多分裂，加速其生长速度。在大肠杆菌取得成果多基础上，将对工业意义更大的嗜盐微生物Halomonas bluephagenesis进行相似的CRISPR/Cas9基因组重编程，以实现H. bluephagenesis的多分裂快速生长，从而实现未来生物制造过程的加速，特别是生物塑料PHA的快速生物合成。

本项目立足于盐单胞菌Halomonas bluephagenesis TD01，研究使其能够更快分裂的方式，以达到提升其作为生产菌株时的细胞干重水平和胞内产物聚羟基脂肪酸酯（PHA）产量的目的。针对这一目的，本项目开展了多种尝试。主要包括拆分细菌的基因组、过表达RNA聚合酶、过表达细菌分裂相关基因和敲除细菌外膜这四种方式。其中过表达RNA聚合酶可以对细菌的分裂速度有一定的提升效果，而适时的过表达分裂相关基因minCD和敲除细菌外膜合成的基因lpxL和lpxM虽然不能直接提升细菌的分裂速度，但可以提高细菌生长的干重水平和生产的PHA的含量。在科学意义上，本项目扩展了拆分细菌基因组的技术在非模式生物盐单胞菌中的适用性，发掘了提升细胞分裂速度的新方法，为增加细菌染色体调控的认识和细菌分裂速度的研究起到了一定的促进作用。此外，也开拓了提升生产菌株生产能力的实际方法，对于其他菌株的改造有一定的参考价值。