枯草芽孢杆菌细胞工厂创制及应用

第1章 枯草芽孢杆菌概述 1
1.1 枯草芽孢杆菌系统生物学研究 1
1.1.1 多组学分析不同层次调控细胞内代谢流的作用 1
1.1.2 基因表达调控中的sRNA和反义RNA 2
1.1.3 翻译后调控和变构相互作用 3
1.1.4 中心代谢中的酶-酶相互作用 4
1.2 枯草芽孢杆菌代谢调控元件与基因组改造工具开发 4
1.2.1 基因表达调控元件的开发 4
1.2.2 无诱导表达系统和芽孢杆菌遗传工具箱 5
1.2.3 合成RNA工具的开发 6
1.3 枯草芽孢杆菌代谢工程策略 6
1.3.1 模块化途径工程 6
1.3.2 代谢溢流、降低细胞裂解 7
1.3.3 高通量筛选 7
1.3.4 基因组缩减 7
1.3.5 辅因子工程引导的代谢优化 8
1.3.6 转运工程策略 8
1.4 枯草芽孢杆菌底盘细胞改造与构建 9
1.4.1 枯草芽孢杆菌底盘细胞的研究进展 9
1.4.2 枯草芽孢杆菌底盘细胞的应用 11
参考文献 13
第2章 枯草芽孢杆菌代谢元件的挖掘与创新 20
2.1 枯草芽孢杆菌CRISPR工具箱 20
2.1.1 CRISPR-Cas系统及其在基因编辑和表达调控中的应用 20
2.1.2 基于CRISPR-Cpf1的枯草芽孢杆菌多基因编辑系统 22
2.1.3 基于CRISPR-Cpf1的枯草芽孢杆菌多基因表达调控系统 30
2.2 基于凝血酶-核酸适配体的代谢调控元件 36
2.2.1 体外结构转换型荧光生物传感器的构建与功能验证 38
2.2.2 基于DNA适配体的动态上调元件的设计、优化及应用 41
2.2.3 基于RNA适配体的动态下调元件的设计、优化及应用 46
参考文献 51
第3章 枯草芽孢杆菌代谢途径的设计与重构 57
3.1 基于稳态反应动力学模型的代谢途径瓶颈诊断 57
3.1.1 GlcNAc合成途径动力学模拟 57
3.1.2 潜在限速步骤存在时GlcNAc合成起始阶段动力学模拟 60
3.1.3 GlcNAc合成起始阶段的动力学测定 61
3.1.4 GlcNAc合成途径潜在限速步骤的分析及鉴定 62
3.1.5 阻断GlcNAc-6-P与GlcNAc之间无效循环对细胞生长和GlcNAc合成的影响 63
3.1.6 小结 65
3.2 基于氧化还原力平衡的代谢途径设计优化 66
3.2.1 辅因子工程 66
3.2.2 辅因子工程策略 68
3.3 基于非天然氨基酸的细胞生长与代谢途径调控 74
3.3.1 枯草芽孢杆菌中非天然氨基酸系统 75
3.3.2 非天然氨基酸系统用于细胞生长与代谢途径调控 76
3.3.3 非天然氨基酸系统用于生物封存 76
3.3.4 小结 78
3.4 基于功能膜微域的代谢途径区室组装 78
3.4.1 细菌中的功能膜微域 78
3.4.2 FMM在质膜上的分布及动力学行为 79
3.4.3 脚手架蛋白FloA和FloT的相关性分析 81
3.4.4 FMM-多酶复合体系统的设计和构建 84
3.4.5 动力学模型和代谢物动力学表征底物通道 87
3.4.6 FloT和SPFH结构域过表达对细胞生长的影响 89
3.4.7 FMM-多酶复合体与酶表达的相关性分析 91
3.4.8 工程菌的理化性质改造和活细胞检测 92
3.4.9 FMM改造对细胞生长的影响 95
3.4.10 基于FMM组分修饰的途径酶组装 96
参考文献 98
第4章 枯草芽孢杆菌代谢网络的组装与适配 102
4.1 基于基因回路的代谢网络自动全局调控 102
4.1.1 枯草芽孢杆菌中可编程生物传感器耦合CRISPRi基因回路 102
4.1.2 基于双功能丙酮酸响应基因回路的B.subtilis中心代谢全局控制 116
4.2 基于细胞群体感应的代谢网络系统 128
4.2.1 枯草芽孢杆菌群体感应系统概述 128
4.2.2 组氨酸激酶KinA改造对芽孢产生的影响 131
4.2.3 构建Spo0A-P调控启动子表达水平文库 133
4.2.4 受Spo0A-P激活调控启动子的构建 135
4.2.5 受Spo0A-P阻遏调控启动子的构建 136
4.2.6 Phr60-Rap60对Spo0A-P调控能力的影响 138
4.3 基于多模型驱动的代谢网络智能化调控 140
4.3.1 GSMM搭建及应用 141
4.3.2 基于GSMM驱动的代谢网络智能化调控 144
4.3.3 基于TRNM驱动的代谢网络智能化调控 146
4.3.4 基于多约束模型驱动的代谢网络智能化调控 148
4.3.5 展望 150
4.3.6 小结 151
参考文献 152
第5章 枯草芽孢杆菌细胞工厂合成瓜乙酰氨基葡萄糖 158
5.1 中心碳代谢优化促进GlcNAc合成 159
5.1.1 阻断副产物乙偶姻溢流对GlcNAc合成的影响 161
5.1.2 阻断乙偶姻合成导致副产物乙酸溢流 162
5.1.3 添加碳酸钙和恒pH补料分批发酵对GlcNAc合成的影响 164
5.1.4 阻断副产物乙酸溢流对GlcNAc合成的影响 166
5.2 关键酶强化改变碳代谢流分布促进GlcNAc合成 168
5.2.1 N端融合标签提高关键酶CeGNA1表达 169
5.2.2 RBS优化对GlcNAc合成及关键酶CeGNA1表达的影响 172
5.2.3 整合表达关键酶EcGlmS促进碳代谢通量流向GlcNAc合成途径 173
5.2.4 关键酶EcGlmS5，端融合mRNA稳定子对GlcNAc发酵的影响 174
5.3 途径酶优化促进GlcNAc合成 177
5.3.1 丙酮酸积累对胞外pH和胞内pH稳态的影响 177
5.3.2 关键酶CeGNA1定向进化对GlcNAc合成的影响 178
5.3.3 脲酶表达对胞内pH及GlcNAc合成的影响 181
5.4 中心氮优化促进GlcNAc合成 184
5.4.1 阻断谷氨酸胞内降解途径对GlcNAc发酵的影响 185
5.4.2 异源表达谷氨酸脱氢酶对GlcNAc合成的影响 186
5.4.3 异源表达NADH依赖型谷氨酸合成酶对GlcNAc发酵的影响 187
5.5 展望 190
参考文献 191
第6章 枯草芽孢杆菌细胞工厂合成人乳寡糖 197
6.1 人乳寡糖与人类健康 197
6.2 枯草芽孢杆菌细胞工厂合成2'-岩藻糖基乳糖 199
6.2.1 2'-岩藻糖基乳糖及其生产简介 199
6.2.2 枯草芽孢杆菌中GDP-L-岩藻糖从头合成途径的构建 203
6.2.3 枯草芽孢杆菌中GDP-L-岩藻糖回补合成途径的构建 203
6.2.4 GDP-L-岩藻糖合成培养基的筛选 204
6.2.5 2'-岩藻糖基乳糖的合成与外源岩藻糖基化酶的筛选 205
6.2.6 胞内底物运输及辅因子合成的强化 207
6.2.7 内源乳糖转运蛋白强化、膜合成蛋白调控和途径酶融合 212
6.3 枯草芽孢杆菌细胞工厂合成乳酰新四糖 218
6.3.1 乳酰-W-新四糖概述 218
6.3.2 枯草芽孢杆菌中LNnT异源合成途径的构建 221
6.3.3 模块化途径工程优化LNnT合成代谢网络 228
6.3.4 CRISPRi动态调控策略提高LNnT的合成 234
6.3.5 基于启动子工程的无质粒和芽孢LNnT合成菌株的构建 242
参考文献 258
第7章 枯草芽孢杆菌细胞工厂合成维生素K2 262
7.1 维生素K2合成概述 263
7.1.1 七烯甲萘醌 263
7.1.2 传统提高MK-7合成的策略 266
7.1.3 菌株改造高效合成MK-7 268
7.2 增强前体供应提高MK-7的合成 269
7.2.1 增强甲萘醌典型合成途径对MK-7合成和细胞生长的影响 271
7.2.2 增强分支酸合成途径对MK-7合成和细胞生长的影响 273
7.2.3 增强MEP途径对MK-7合成和细胞生长的影响 274
7.2.4 关键基因menA对MK-7合成的影响 276
7.3 动态调控MK-7合成途径及发酵放大 278
7.3.1 群体感应系统调控MK-7的合成 279
7.3.2 在5L生物反应器中发酵合成MK-7 281
7.3.3 在15L生物反应器中发酵合成MK-7 282
7.3.4 在3 t生物反应器中发酵合成MK-7 283
7.4 比较转录组分析MK-7合成的因素 284
7.4.1 生物膜的形成对MK-7合成的影响 285
7.4.2 比较转录组学分析基因表达差异 286
7.4.3 在B subtilis168中过表达差异基因验证其对MK-7合成的影响 291
7.4.4 在BS20中过表达差异基因验证其对MK-7合成的影响 292
7.4.5 电子传递链对MK-7合成的影响 294
7.4.6 摇瓶验证信号转导与电子转移对MK-7合成的影响 297
7.4.7 15L发酵罐验证信号转导与电子传递对MK-7合成的影响 297
参考文献 300
第8章 枯草芽孢杆菌细胞工厂合成乙酰神经氨酸 304
8.1尽乙酰神经氨酸合成途径的构建和模块化优化 305
8.1.1 NeuAc合成途径的构建 305
8.1.2 GlcNAc和PEP模块化途径工程的设计与构建 307
8.1.3 GlcNAc和PEP模块化途径工程对NeuAc合成的影响 309
8.1.4 中心代谢途径改造提高葡萄糖向NeuAc的转化率 310
8.1.5 优化ytsJ基因表达水平提高苹果酸向NeuAc的转化率 310
8.1.6 小结 313
8.2 尽乙酰神经氨酸合成途径热力学瓶颈和限速步骤的解除 314
8.2.1 NeuAc合成途径热力学瓶颈分析 314
8.2.2 通过关键酶自组装和途径替换解除NeuAc合成热力学瓶颈 315
8.2.3 不同表达水平NeuAc合成途径关键酶验证解析限速步骤 318
8.2.4 基于NeuAc响应元件的NeuB定向进化系统的构建 319
8.2.5 通过NeuB定向进化和不同来源高催化活性酶替换缓解NeuAc合成途径限速步骤的影响 322
8.2.6 小结 323
8.3 尽乙酰神经氨酸合成途径所产生细胞代谢压力的解析和解除 324
8.3.1 强化NeuC途径对细胞生长和NeuAc合成的影响 324
8.3.2 不同表达水平NeuAc合成途径关键酶对细胞生长和NeuAc合成的影响 325
8.3.3 不同强度三条NeuAc合成途径复合对NeuAc合成效率的影响 328
8.3.4 小结 330
8.4 磷酸烯醇丙酮酸高效供给系统的构建和优化 331
8.4.1 苹果酸供给PEP系统的构建与优化 331
8.4.2 葡萄酸供给PEP系统的构建与优化 332
8.4.3 葡萄糖酸响应元件的构建与优化 334
8.4.4 基于葡萄糖酸诱导的CRISPRi系统平衡NeuAc合成和细胞生长 336
8.4.5 小结 338
参考文献 339
第9章 枯草芽孢杆菌细胞工厂合成磷脂酶D和几丁二糖脱乙酰酶 341
9.1 磷脂酶D的重组优化表达及其生物转化 341
9.1.1 磷脂酶D概述 341
9.1.2 磷脂酰丝氨酸概述 345
9.1.3 枯草芽孢杆菌表达磷脂酶D 348
9.1.4 磷脂酶D在生物催化合成PS中的应用 355
9.2 几丁二糖脱乙酰酶的克隆表达及其生物转化 365
9.2.1 国内外研究现状及发展趋势 366
9.2.2 脱乙酰酶概述 367
9.2.3 几丁二糖脱乙酰酶生产菌株的获得 369
参考文献 381
附录：PLD优化前后序列对比 388