代谢工程改造L-半胱氨酸供给模块促地衣芽胞杆菌 高效合成杆菌肽

杆菌肽是一种主要由芽胞杆菌产生的广谱性抗生素,目前作为兽药广泛应用于畜禽养殖领域。前体氨基酸供应不足可能是限制微生物发酵高产杆菌肽的重要因素。文中以杆菌肽工业生产菌株——地衣芽胞杆菌Bacillus licheniformis DW2为出发菌株,研究l-半胱氨酸供给模块强化对杆菌肽合成的影响。首先,构建了l-半胱氨酸合成酶基因cysK强化表达菌株,杆菌肽效价相比于对照菌株提高了9.47%。接着,为提高l-半胱氨酸合成前体供给,对l-丝氨酸乙酰转移酶基因cysE和硫代硫酸盐/硫酸盐胞内转运蛋白基因cysP进行强化,杆菌肽产量分别提高了7.23%和8.52%。随后,结果表明转运蛋白TcyP负责从胞外向胞内转运胱氨酸,强化表达TcyP后胞内l-半胱氨酸浓度和杆菌肽效价分别提高了29.19%和7.79%。通过组合代谢工程育种,在整合表达了基因cysK基础上,利用强启动子PbacA分别替换基因cysP、cysE和tcyP原始启动子,得到工程菌株CYS4 (DW2::cysK-PbacA(cysP)- PbacA(cysE)-PbacA(tcyP)),杆菌肽效价达到910.02 U/mL,相比于出发菌株DW2 (747.71 U/mL) 提高了21.10%。最后,通过3 L发酵罐小试实验,进一步证实了强化l-半胱氨酸有利于杆菌肽合成。研究表明,强化胞内l-半胱氨酸供给水平是提高地衣芽胞杆菌中杆菌肽产量的有效策略,为杆菌肽工业生产提供了一株具有良好应用前景的菌株。     

“共轭聚合物-产电菌”复合生物电极构建及其在微生物燃料电池中的应用

微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)作为一种生物电化学装置,在可再生能源生产和废水处理方面的巨大潜力已引起广泛关注。然而MFC面临输出功率低、欧姆内阻高以及启动时间长等问题,极大限制了其在实际工程中的应用。MFC中阳极是微生物附着的载体,对电子的产生及传递起着关键作用,开发优质的生物电极已发展成为改善MFC性能的有效途径。共轭聚合物具有成本低、电导率高、化学稳定性及生物相容性好等优点,利用共轭聚合物修饰生物电极结构,可以实现大比表面积、缩短电荷转移路径,从而实现高效生物电化学性能。同时,纳米级共轭聚合物包覆细菌,可以使细菌产生的电子有效地传递到电极。文中综述了最近报道的共轭聚合物在MFC中的应用,重点介绍了共轭聚合物修饰的MFC阳极,系统分析了共轭聚合物的优点及局限性,以及这些高效复合生物电极如何解决MFC应用中存在的低输出功率、高欧姆内阻及长启动时间等问题。     

强化产电微生物与电极间电子传递速率的研究进展

产电微生物是微生物燃料电池、电解池和电合成等微生物电化学技术(Microbial electrochemical technologies,METs)的研究基础。产电微生物与电极界面间的胞外电子传递(Extracellular electron transfer,EET)效率低以及生物被膜形成能力弱限制了METs在有机物降解、电能生产、海水淡化、生物修复和生物传感等方面的应用。因此,强化产电微生物与电极界面间的相互作用是过去几年的主要研究热点。针对近年的研究,本文系统概述了通过改造产电微生物来增强微生物-电极间相互作用的各种策略,重点分析了这些策略的适用性和局限性,并展望了强化产电微生物-电极界面作用在微生物电化学技术利用方面的研究前景。     

微生物种间直接电子传递研究进展

一直以来氢气和甲酸被认为是微生物间电子传递的中间电子传递体。近年来的研究发现,微生物之间可以通过种间直接电子传递(DIET)来替代氢气/甲酸传递。DIET作为一种新发现的微生物间电子传递途径,其电子传递效率要高于传统的种间氢气/甲酸传递。DIET这一新发现改变了微生物互营生长代谢必须依赖氢气或甲酸等电子载体的传统认识,为今后研究微生物互营现象打开了新视角。虽然DIET研究取得了很大进展,但是目前对能够进行DIET的微生物种类、DIET机制及影响DIET的因素尚缺乏深入研究。本文首先概述了能形成DIET的微生物,然后重点分析了能够进行DIET的电子供体微生物胞外电子传递的机制和电子受体微生物直接利用胞外电子的分子机制,最后阐述了导电材料对DIET的影响,并提出了DIET今后的研究方向,旨在为DIET研究提供参考。     

芽胞形成相关基因缺失对解淀粉芽胞杆菌生物量及胞外酶表达的影响

解淀粉芽胞杆菌作为公认的安全生产宿主菌(GRAS),在高效表达异源蛋白方面具有巨大的发展潜力和应用前景。本研究以解淀粉芽胞杆菌TCCC111018为出发菌株,通过敲除芽胞形成相关基因(spo0A,sigF和sigE),构建了一系列突变菌株(BAΔspo0A,BAΔsigF,BAΔsigE),并对突变株生物量和胞外酶表达量进行分析比较。结果表明,与出发菌株BAΔupp相比,菌株BAΔspo0A的生物量及胞外酶表达量显著降低,BAΔsigE无明显变化,而菌株BAΔsigF的生产性能有显著提升,菌体生长的稳定期延长约6 h,产酶时间提前,耐酸性α-淀粉酶与碱性蛋白酶酶活分别提高了25.2%和21.3%,该菌株的成功构建为工业酶生产宿主提供了新的选择,也为异源酶的高效生产提出了一种新的策略。     

鸡腿蘑胞外多糖的形貌结构及分子量动态变化与抗氧化的相关性研究

对鸡腿蘑多糖的结构进行检测,并在此基础上探讨结构与活性的关系,对深度发掘鸡腿蘑多糖的功效具有重要意义。制备发酵时间为72 h、96 h和120 h的鸡腿蘑胞外粗多糖,采用PMP柱前衍生化-HPLC法分析其单糖组成,结果表明发酵72 h、96 h和120 h胞外多糖均由D-甘露糖、L-鼠李糖、D-葡萄糖、D-半乳糖、D-阿拉伯糖组成,但各单糖的相对摩尔比不同。采用扫描电子显微镜和原子力显微镜对不同发酵时间的多糖形貌结构进行分析,结果显示发酵120 h多糖的板状结构更加规则,多糖分子的聚集作用更强。采用高效凝胶过滤色谱法对不同发酵时间的鸡腿蘑胞外多糖的分子量分布情况进行分析,结果显示发酵120 h的多糖分子量更大,分布范围更广。体外抗氧化试验结果显示,在相同浓度下,发酵120 h多糖的抗氧化活性较发酵72 h和96 h的多糖强。研究结果表明鸡腿蘑胞外多糖的抗氧化活性可能与其形貌结构和分子量分布有关。     

基于水稻染色体片段代换系的耐盐发芽QTL分析

为了检测水稻种子的耐盐相关数量性状位点,也为耐盐遗传机理的研究提供理论基础,本实验以Koshihikari(受体)和Nona Bokra(供体)为亲本构建的全基因组单片段代换系(154个)作为研究群体,采用培养皿培养,在水稻种子的萌发期进行浓度为1％的盐胁迫,以种子的发芽情况为指标,统计发芽率数据,利用分子标记技术,定位分析水稻种子发芽率耐盐相关性状的QTL.结果显示:共检测到两个盐胁迫发芽相关QTL(qST9-1和qST11-1),其中,qST9-1定位于水稻9号染色体上M9-15引物附近,贡献率为6.94％;qST11-1定位于水稻11号染色体上M11-386引物附近,贡献率为6.86％.初步定位到两个水稻萌发期耐盐性QTL,该结果为进一步进行耐盐基因的精细定位、克隆及功能研究奠定基础,对挖掘耐盐水稻在盐渍化耕地的利用潜力,培育耐盐水稻品种以及耐盐遗传机理的研究具有重要意义.     

土地类芽胞杆菌(Paenibacillus terrae)NK3-4 EsxA结构与系统发育分析

前期研究在植物根际促生菌土地类芽胞杆菌(Paenibacillus terrae )NK3-4中发现一个EsxA编码基因,为明确该基因编码的蛋白的性质、结构及系统发生关系,对该基因进行了生物信息学分析。分析表明,该EsxA含有91个氨基酸,分子质量10 276.53 Da,理论pI 5.29,分子式为C₄₄₅H₇₁₁N₁₂₅O₁₄₆S₄,弱酸性,亲水,具有WEG保守基序,属于WXG超级家族成员;建模预测表明,自然状态下EsxA 形成不对称的同源二聚体,其中每个亚基都由一个β折叠连接两个α螺旋组成,两个α螺旋反向平行排列;二聚体中两个亚基的肽链呈反向排列,所有N末端和C末端均暴露在外,形成棒状表面形态,其中一个亚基的N端的不规则卷曲形成与棒状二聚体垂直的短柱形凸起;系统发育分析显示,EsxA在种内及种间进化关系虽是不保守的,但类芽胞杆菌源的EsxA与病原细菌的EsxA同源性较低,暗示类芽胞杆菌源EsxA可能与病原微生物的EsxA具有截然不同的功能。结果为包括NK3-4菌株在内的类芽胞杆菌属EsxA外源分泌表达条件,活性保持及功能的深入研究提供了理论依据。     

胞外ATP对壳聚糖诱导的ROS和PAL活性变化的影响

以烟草BY-2悬浮细胞为材料,探讨了胞外ATP对壳聚糖引起的活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平和苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia-lyase,PAL)活性变化的影响。结果表明,5~20μg·mL^-1壳聚糖处理导致了烟草悬浮细胞细胞内ROS水平逐渐增加;壳聚糖也导致了PAL活性的增加,其活性在15μg·mL^-1壳聚糖处理下达到峰值,此后有所降低。10~40μmol·L^-1外源ATP处理未引起烟草悬浮细胞内ROS水平和PAL活性的显著变化。细胞外ATP水平则随壳聚糖浓度的增加而逐渐下降。本文进一步分析了细胞外ATP对壳聚糖引起的ROS水平和PAL活性变化的影响。结果显示,外源施加20μmol·L^-1ATP可以有效降低壳聚糖诱导的烟草悬浮细胞ROS水平上升,同时外源ATP也明显减缓了壳聚糖所诱导的PAL活性的上升。上述结果表明,细胞外ATP水平能够影响壳聚糖引起的ROS水平和PAL活性的变化。     

中国东北地区流动沙丘生态系统丘间低地地下芽库的时空变化

中国东北地区流动沙丘生态系统丘间低地地下芽库的时空变化 地下芽库在半干旱区沙丘生态系统植被恢复中起着重要作用。然而,目前针对流动沙丘丘间低地地下芽库时空变化的研究却很少。本研究通过调查一个生长季内5个不同面积流动沙丘丘间低地地下芽库的大小和组成,确定流动沙丘丘间低地地下芽库的时空变化。研究结果显示,中等面积丘间低地的总芽库密度与分蘖芽密度最高,茎基部芽密度呈相反趋势,而根茎芽密度不随丘间低地的面积变化而变化。地下芽库大小具有明显的季节变化特征。总芽密度在8月份达到高峰,10月份最低,根茎芽密度变化趋势与总芽密度相似,而茎基芽密度变化趋势与总芽密度相反,分蘖芽密度的变化不明显。以上结果表明,地下芽库密度随丘间低地的面积和季节变化而变化。这一结果有助于认识流动沙丘生态系统中植物生长的适应策略,并可为半干旱区沙丘植被恢复和保护提供理论指导。