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近日，青島農(nóng)業(yè)大學生命科學學院楊建明教授團隊在國際期刊Bioresource Technology發(fā)表了題為“Production of α-amylase from gluconate and carbon dioxide by protein synthesis and secretion optimization in Cupriavidus necator H16 ”的研究論文。

該研究報道了利用Cupriavidus necator H16將二氧化碳（CO2）轉化為胞外酶產(chǎn)物α-淀粉酶，即在C. necator H16體內(nèi)表達外源α-淀粉酶，并通過α-淀粉酶基因表達優(yōu)化、基因組修飾和分泌系統(tǒng)工程等模塊化方法優(yōu)化α-淀粉酶生產(chǎn)工程菌株，實現(xiàn)了CO2到α-淀粉酶的轉化。

二氧化碳（CO2）是人類活動產(chǎn)生的主要溫室氣體之一。近年來，生物技術的進步為CO2的利用提供了一種新的途徑。

Cupriavidus necator H16 是一種化能自養(yǎng)微生物，可以CO2為唯一碳源進行生長和生物合成。該菌株以生產(chǎn)聚羥基脂肪酸（Polyhydroxybutyrate, PHB）而聞名，但其也擁有強大的蛋白合成能力，（胞內(nèi)蛋白質含量最高可達75%）。因此，該菌株也被用于生產(chǎn)蛋白細胞蛋白（single-cell proteins, SCPs）和一些胞內(nèi)酶產(chǎn)物（intracellular enzyme products, IEPs）。然而，目前還未有利用該菌株生產(chǎn)胞外酶產(chǎn)物（extracellular enzyme products, EEPs）的研究被報道。

本研究以應用最為廣泛胞外酶的α-淀粉酶為原型，通過基因表達優(yōu)化、基因組修飾和分泌系統(tǒng)工程三個模塊構建并優(yōu)化生產(chǎn)α-淀粉酶的C. necator H16工程菌株（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，采取利用強啟動子驅動α-淀粉酶基因表達以增強淀粉酶前體的合成，阻斷PHB合成途徑以減少碳骨架的流失、過表達內(nèi)源胞內(nèi)伴侶蛋白DnaJ以防止淀粉酶前體在胞內(nèi)被錯誤折疊和降解和引入外源胞外伴侶蛋白PrsA以緩解分泌應激等策略可大幅度增強工程菌株的淀粉酶生產(chǎn)能力。最終整合上述策略的工程菌株以葡萄糖酸作為底物時，每單位細胞的α-淀粉酶活性可達到5.54 U/OD600，較初始工程菌株相比提高了29.2倍。以CO2作為底物時，每單位細胞的α-淀粉酶活性可達到4.26 U/OD600。本研究證明了開發(fā)C. necator H16作為自養(yǎng)生產(chǎn)α-淀粉酶的宿主的可行性。也為利用C. necator H16進行CO2到胞外酶產(chǎn)物的轉化提供了參考。

圖1：C. necator H16細胞外α-淀粉酶生產(chǎn)的代謝工程策略

濟南大學講師湯若昊博士為論文第一作者，青島農(nóng)業(yè)大學碩士生徐睿和高學民為共同第一作者，濟南大學秦曉春教授和青島農(nóng)業(yè)大學楊建明教授為論文共同通訊作者，青島農(nóng)業(yè)大學為第一通訊單位。

本研究得到國家自然科學基金項目和山東省自然科學基金青年項目的資助，獲得山東省應用真菌重點實驗室、青島農(nóng)業(yè)大學光合固碳產(chǎn)能研究中心和濟南大學光合作用與高效農(nóng)業(yè)研究團隊等科研平臺和團隊的大力支持。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852424014482?dgcid=coauthor