删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

大肠杆菌中固定CO2产乳酸代谢途径的构建和高固碳活性核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶的筛选研究

本站小编 Free考研考试/2022-02-11

大肠杆菌中固定CO2产乳酸代谢途径的构建和高固碳活性核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶的筛选研究
其他题名A study of construction of a metabolic pathway for lactic acid production by fixed CO2 in E. coli and screening of Rubisco with high carboxylation activity
学位论文
学位类型硕士
导师张晓黎
2019-11-25
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点北京
学位名称工程硕士
学位专业生物工程
关键词Rubisco大肠杆菌Co2固定乳酸发酵
摘要卡尔文循环(Calvin-Benson-Bassham, CBB)是从无机碳生产有机生物质的主要途径,核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶(Rubisco)是CBB循环固定CO2第一步反应中的关键酶和限速酶,Rubisco的羧化活性直接影响自养生物通过CBB循环进行CO2固定的能力,在作物生产和全球碳循环中起着关键作用。
Rubisco对CO2的催化效率和选择性极低,而且其活性中心高度保守,利用现有的理性设计或定向进化手段对其进行改造收效甚微。因此,设计高效的高活性Rubisco筛选体系,探索未知的Rubisco,是目前的研究热点。此外,利用Rubisco的固碳活性合成生物基化学产品已成为微生物固碳研究的重要方向。目前已利用Rubisco在蓝藻、酿酒酵母中实现了产乙醇、异丁醛、L-丁醇和甘油等化学产品,但利用Rubisco在大肠杆菌Escherichia coli中固定CO2产乳酸的研究尚未见报道。因此,本研究尝试在大肠杆菌体内建立一条Rubisco固定CO2产乳酸的代谢途径。主要结果如下:
1)在大肠杆菌中构建了一条甘油-木糖-Rubisco-PRK产乳酸代谢途径,其乳酸的理论得率为107.8%,13C标记的乳酸理论得率为25%。通过发酵条件优化和发酵菌株比较,最终确定发酵条件为:厌氧条件下,发酵培养基为M9,缓冲液为HEPES/NaHCO3,诱导温度为22℃,发酵菌株为E. coli BW25113ΔfrdΔpflB::ldhA。在此发酵条件下,该菌株的乳酸产量为2.51 g/L,乳酸得率为92.04%,13C标记的净乳酸得率为19.66%。
2)通过细胞生长状态初筛和乳酸产量及13C标记的乳酸得率复筛,构建了适用于筛选高效Rubisco羧化活性的筛选体系。与已有筛选体系相比,该体系具有高通量、准确度高、更简便的优势。
3)利用本课题构建的高效Rubisco羧化活性筛选体系,从23个带有不同来源Rubisco的E. coli中筛选到BW-RBC9菌株,其乳酸产量为3.1 g/L;乳酸得率为93.46%,接近理论得率107.8%;13C标记的净乳酸得率21.83%,接近理论得率25%。
综上,本课题构建的甘油-木糖-Rubisco-PRK产乳酸代谢途径实现了Rubisco在大肠杆菌中固定CO2产乳酸的功能;建立了一套适用于高通量筛选Rubisco的筛选体系,并成功筛选到高羧化活性的Rubisco,为今后利用Rubisco在大肠杆菌中固定CO2产乳酸并实现产业化进行了有益的探索。
其他摘要Calvin-Benson-Bassham (CBB) is the main way to produce organic biomass from inorganic carbon. Ribulose-1,5-diphosphate carboxylation/oxygenase (Rubisco) is a key and rate-limiting enzyme in the first step of CBB to fix CO2. The carboxylation activity of Rubisco directly affects the ability of fixing CO2 through the CBB, and thus Rubisco plays a key role in crop production and the global carbon cycle.
Rubisco's catalytic efficiency and selectivity of CO2 are extremely low. Moreover, the active center of Rubisco is highly conservative, and it has little effect on transforming it by rational design or directed evolution. Therefore, designing an efficient screening system suitable for higher carboxylation activity and exploring and discovering unknown Rubisco2 are the current research hotspots. In addition, the use of Rubisco's carbon-fixing carboxylation activity to synthesize bio-based chemical products has become an important direction for microbial carbon fixation research. Although some chemical products, such as ethanol, isobutyraldehyde, L-butanol, and glycerol, have been produced in cyanobacteria, Saccharomyces cerevisiae and other microorganisms using Rubisco to fix CO2, studies on using Rubisco to fix CO2 for producing lactic acid in Escherichia coli have not been reported. Therefore, this study attempts to establish a Rubisco-fixed CO2 lactic acid production pathway in E. coli. The main results are following:
(1) The Glycerol-Xylose-Rubisco-PRK lactic acid metabolism pathway was constructed in E. coli. The theoretical yield of lactic acid was 107.8%, and the theoretical yield of 13C-labeled lactic acid was 25%. Through optimization of fermentation conditions and comparison of fermentation strains, the optimal fermentation conditions were determined as: under anaerobic conditions, M9 was the fermentation medium, the buffer was HEPES / NaHCO3, and the induction temperature was 22° C; the optimal fermentation strain was E. coli BW25113ΔfrdΔpflB::ldhA. The lactic acid yield of this strain was 2.51 g/L, the yield of lactic acid was 92.04%, and the net yield of lactic acid labeled with 13C was 19.66%.
(2) Constructed a selection system suitable for screening efficient Rubisco carboxylation activity by preliminary screening of cell growth status and rescreening of the production of lactic acid and 13C-labeled lactic acid. Compared with the original screening system, this system has the advantages of high throughput, high accuracy, and simplicity.
?(3) BW-RBC9 strain was screened from 23 E. coli strains with different sources of Rubisco by using our constructed selection system for Rubisco with high carboxylation activity. The production of lactic acid was 3.1 g/L and the yield of lactic acid was 93.46%, which was close to the theoretical yield of 107.8%. The net yield of lactic acid labeled with 13C was 21.83%, which was close to the theoretical yield of 25%.
In summary, our project realized Rubisco's fixation of CO2 to produce lactic acid in E. coli by the constructed glycerol-xylose-Rubisco-PRK metabolism pathway. Also, we established a screening system suitable for high-throughput screening of Rubisco and found a Rubisco with high-carboxylase activity. The study is a useful exploration of using Rubisco to fix CO2 for producing lactic acid in E. coli and realizing industrial production in the future.
目录? ??????????????????????????????????????????
第1章 引 言... 1
1.1? 微生物固碳... 1
1.2? 核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶(Rubisco)... 1
1.3? Rubisco筛选方法的研究现状... 5
1.4? 大肠杆菌中Rubisco固碳的代谢工程改造和应用... 7
1.5? 课题研究意义和目标... 9
第2章 材料与方法... 11
2.1? 实验材料... 11
2.1.1? 质粒与菌株... 11
2.1.2? 引物... 12
2.1.3? 试剂... 13
2.1.4? 培养基... 14
2.1.5? 主要仪器... 15
2.2? 分子生物学实验方法... 15
2.2.1? PCR扩增目标基因... 15
2.2.2? 限制性酶切与连接... 16
2.2.3? CRISPR基因敲除... 17
2.2.4? 大肠杆菌感受态细胞的制备与转化... 18
2.2.5? 菌落PCR鉴定... 20
2.2.6? DNA合成与测序... 20
2.3? 菌株培养方法... 21
2.3.1? 固体培养基筛选方法... 21
2.3.2? 改造大肠杆菌产乳酸发酵方法... 21
2.4? 检测方法... 22
2.4.1? 木糖、乳酸、甘油的检测... 22
2.4.2? Rubisco活性检测... 23
第3章? 大肠杆菌中利用Rubisco固定CO2产乳酸途径的构建... 25
3.1? 引言... 25
3.2? 甘油-Rubisco-PRK代谢途径的建立... 26
3.2.1 E. coli HX-030中甘油-Rubisco-PRK代谢途径的评价... 27
3.2.2 E. coli EB204中甘油-Rubisco-PRK代谢途径的评价... 29
3.3? 甘油-木糖-Rubisco-PRK代谢途径的建立... 33
3.3.1 E. coli EB204中甘油-木糖-Rubisco-PRK代谢途径产乳酸能力和固碳能力的评价??? 34
3.4? Rubisco固碳产乳酸发酵方式的优化... 37
3.4.1? 发酵培养基的选择和优化... 37
3.4.2? 发酵温度的选择... 41
3.4.3? 厌氧和微好氧发酵的选择... 43
3.5? Rubisco固碳产乳酸大肠杆菌的选择... 45
3.6? 本章小结... 50
第4章 高固碳活性Rubisco筛选办法的构建... 53
4.1? 引言... 53
4.2? 大肠杆菌活性定向选择系统对不同来源Rubisco固碳活性的评价... 53
4.2.1? 大肠杆菌活性定向选择系统的设计原理... 53
4.2.2? 大肠杆菌活性定向选择系统中不同羧化活性Rubisco的比较... 54
4.3? 新构建的高固碳活性Rubisco筛选办法的评估... 56
4.3.1? 高固碳活性Rubisco筛选办法的设计原理... 56
4.3.2? 高固碳活性筛选体系中不同羧化活性Rubisco的比较... 57
4.4? 本章小结... 59
第5章 高羧化活性Rubisco固碳元件的筛选... 61
5.1? 引言... 61
5.2? 筛选获得高固碳活性的Rubisco元件... 61
5.3? 产乳酸代谢途径的改造... 64
5.3.1? 代谢途径优化前后发酵结果比较... 67
5.4? 本章小结... 69
第6章? 结论与展望... 71
6.1? 结论... 71
6.2? 展望... 71
参考文献... 73
附? 录... 77
致? 谢... 79
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果... 81
页数96
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.yic.ac.cnhttp://ir.yic.ac.cn/handle/133337/24121
专题中科院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文

推荐引用方式
GB/T 7714学位论文. 大肠杆菌中固定CO2产乳酸代谢途径的构建和高固碳活性核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶的筛选研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2019.


PDF全文下载地址:

点我下载PDF
相关话题/学位 优化 学位论文 设计 系统

  • 领限时大额优惠券,享本站正版考研考试资料!
    大额优惠券
    优惠券领取后72小时内有效,10万种最新考研考试考证类电子打印资料任你选。涵盖全国500余所院校考研专业课、200多种职业资格考试、1100多种经典教材,产品类型包含电子书、题库、全套资料以及视频,无论您是考研复习、考证刷题,还是考前冲刺等,不同类型的产品可满足您学习上的不同需求。 ...
    本站小编 Free壹佰分学习网 2022-09-19
  • 青岛能源所首次对我国煤电行业自身节水潜力完成系统性评估
    在“双碳”背景下,煤电受到广泛关注。2020年,我国煤电装机容量和发电量分别占电力装机总量和发电总量的49.1%和60.8%。尽管我国已经明确碳达峰目标与碳中和愿景,但人们容易忽略短期内煤电仍是我国主要电力来源这一事实。煤电的发展离不开水资源,煤电在主要发电技术中耗水强度最高。而我国是一个典型的缺水 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-02-11
  • 青岛能源所揭示双功能分子协同P450酶催化系统的结构基础与过氧化物酶新功能
    细胞色素P450酶是一类含血红素的单加氧酶,在药物代谢、异生物质解毒和类固醇生物合成中发挥重要作用,同时因其具有多功能生物氧化催化、合成的应用潜力而备受关注。针对绝大多数天然P450单加氧酶催化功能的实现高度依赖辅酶NAD(P)H和负责电子传递的还原伴侣蛋白的关键科学问题,青岛能源所丛志奇研究员带领 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-02-11
  • 青岛能源所提出实用型锂金属电池失效新机制及优化新思路
    在续航里程焦虑的不断刺激下,被称为“圣杯”电池的液态锂金属电池因其极高的能量密度而成为行业内关注的热点。然而,锂金属负极的严重失效制约了锂金属电池的商业化发展。目前,对锂金属负极失效和保护的机理认知尚存争议。传统观点认为,锂枝晶的生长是金属锂负极失效的主要原因。但实际上,尽管大量文献报道了无枝晶生长 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-02-11
  • 青岛能源所研发出高耐久低成本的DNA合成纠错系统
    DNA的从头合成是合成生物技术的基础平台之一。但是,由于大规模DNA合成过程中难以避免地产生错误,DNA纠错环节的效率和经济性已经成为限制DNA合成质量、通量与成本的关键问题之一。针对此瓶颈,青岛能源所单细胞中心研发出高耐久低成本的DNA合成纠错系统,大幅度提高了DNA纠错环节的效率和经济性。该工作 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-02-11
  • 喜报:我所三个青年集体被命名为2019-2020年度自然资源系统青年文明号
    近日,我所海洋生物资源开发与环境调查青年突击队、海洋地球物理与海底探测团队、船管中心科考调查部三个青年集体被命名为2019-2020年度自然资源系统青年文明号。2019年以来海洋一所团员青年坚持以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,增强“四个意识”、坚定“四个自信”、做到“两个维护”,在平凡的岗 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-02-11
  • 青岛海洋工程勘察设计研究院有限公司顺利通过管理体系资质证书的年度监督审核
    11月15日至16日,我所所属青岛海洋工程勘察设计研究院有限公司顺利通过中国质量认证公司山东分公司(青岛)颁发的质量管理体系认证证书(GB/T19901-2016/ISO9001:2015)、环境管理体系认证证书(GB/T24001-2016/ISO14001:2015)、职业健康安全管理体系认证证 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-02-11
  • 我校工程硕士专业学位新增两个领域
    近日,接全国工程硕士专业学位教育委员会秘书处通知,经全国工程硕士专业学位教育委员会2006年工作会议审议通过,国务院学位委员会办公室同意,我校新增机械工程、动力工程两个工程领域,加上原来已有的材料工程、化学工程、控制工程、生物工程领域,至此,我校工程硕士领域已增加到六个。 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-02-11
  • 第二届全国大学生化学实验创新设计竞赛全国总决赛在我校举行
    8月25日-27日,“微瑞杯”第二届全国大学生化学实验创新设计竞赛全国总决赛在我校举行。中科院院士、教育部高等学校化学类专业教学指导委员会主任、全国大学生化学实验创新设计竞赛委员会主任郑兰荪,全国大学生化学实验创新设计竞赛委员会副主任、大连大学校长孟长功,全国大学生化学实验创新设计竞赛委员会副主任、 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-02-11
  • 自动化学院在省电子设计大赛中成绩喜人
    近日,在刚刚结束的山东省电子设计大赛中,自动化学院8支参赛队伍勇夺四个一等奖,为学院和学校争得了荣誉。为筹备此次全省电子设计大赛,更为全国电子设计大赛做准备,自动化学院分团委早在5月份就积极组织全院学生报名,并联系全省电子设计大赛评委李进教授作了五次讲座。8月底,分团委和学院电工电子教研室的老师们牺 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-02-11
  • 机电学院在省大学生机电产品创新设计竞赛中获佳绩
    9月2日,由山东省教育厅主办,山东高校机械工程教学协作组及山东交通学院承办的“机工教育杯”—2006年山东省大学生机电产品创新设计竞赛在山东交通学院隆重开幕,我校机电学院代表队在竞赛中获得佳绩。机电学院代表队经过半年的精心准备,共选出创新性强、实用价值高的作品11项参加比赛,共获得一等奖3名,二等奖 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-02-11