嗜热厌氧杆菌葡萄糖木糖共利用的分子机制研究

Co-utilization of hexoses and pentoses derived from lignocellulose is one of the key factors for economic ethanol production in industrial scale. Thermoanaerobacterium aotearoense, isolated and preserved in our group, can co-utilize glucose and xylose and improved ethanol yield was found under mixture of glucose and xylose. Glucose, xylose and mixture of glucose and xylose are used as carbon sources, RNA sequencing is used for monitoring the gene expression level. It is expected to get some target genes and/or transcriptional regulation factors related to co-utilization of hexose and pentose and the molecular mechanisms of glucose and xylose utilization in this strain was explored. Based on it, high efficient metabolic engineering to improve substrate uptake was achieved for higher ethanol yield and productivity and it has important theoretical significance and value in industrial application on strain development of bioethanol-producing microorganisms.

己糖（葡萄糖）和戊糖（木糖）能被乙醇发酵微生物共利用是决定植物纤维资源生产生物乙醇经济可行的关键因素之一，本课题组自主筛选得到的嗜热厌氧杆菌（Thermoanaerobacterium aotearoense）能同时利用葡萄糖和木糖，且在混合物培养时乙醇产率提高。本项目拟分别以葡萄糖、木糖、葡萄糖/木糖混合物为底物，对不同培养阶段的样品进行转录组测序，获得该菌在不同底物下相关基因表达水平及调控机制的基础数据，确定与葡萄糖木糖共代谢相关的基因及其表达谱，解析嗜热厌氧杆菌的戊糖己糖共利用机制，分析乙醇合成增强的机理。基于此，以提高底物利用效率为目标对该菌进行有效的代谢工程改造，从而提高乙醇产量及产率，对于生物能源微生物的分子育种具有重要的理论意义和工业应用价值。

生物炼制中己糖（葡萄糖）和戊糖（木糖）能被微生物共利用是决定植物纤维资源生产生物基化学品经济可行的关键因素之一。本课题组自主筛选得到的嗜热厌氧杆菌（Thermoanaerobacterium aotearoense SCUT27）能共利用葡萄糖和木糖，且以混合碳源为底物时乙醇产率显著提高。本项目基于RNA-seq技术，分别以葡萄糖、木糖、葡萄糖/木糖混合物为底物培养SCUT27，对不同培养阶段的样品进行转录组测序，计算两两样本的基因差异表达程度，发现差异表达的基因主要涉及糖代谢及乙醇生成相关的8大代谢途径，分别为：糖酵解途径、糖跨膜转运、磷酸戊糖途径、丙酮酸途径、TCA循环途径、乙醇生成、氨基酸代谢和能量代谢途径。其中精氨酸阻遏蛋白基因argR仅在木糖中高表达；pro-sigmaK抑制因子基因bofA仅在混合糖中高表达；物质代谢相关基因pflA，adhE，hyd、ech和hfs，能量代谢相关基因nfnAB和rex，转录调控因子基因bglG和metJ在葡萄糖和木糖分别为碳源时皆有显著性差异表达。对11个上述基因进行深入研究，结果表明：BofA是木糖代谢的负调控因子，bglG是木糖代谢的正调控因子，可以通过敲除bofA或过表达bglG强化木糖利用。为提高菌的葡萄糖利用能力，可以敲除pflA，hfsB或过表达adhE，工程菌的葡萄糖利用能力提高44.21%-47.6%，乙醇产量提高24.3%-57.6%。为强化葡萄糖和木糖的共利用能力，可以敲除argR，metJ或rex，工程菌的糖代谢速率提高74.19％-130.56％，乙醇得率提高63.16%-88.23%。nfnAB、hyd、ech的敲除对糖利用效果不明显，但可以提高菌的产氢能力。与此同时，本项目提高糖利用的策略应用于酪丁酸梭菌及丙酮丁醇梭菌的产酸产醇，均取得理想效果。