2024年4月20日，第一届Green Carbon青年编委会生物方向研讨会暨“合成生物技术与绿色生物制造—高版本底盘工程”学术沙龙在青岛召开。中国海洋大学刘光磊教授应邀出席并作题为“短梗霉作为高产胞外多糖酵母底盘的潜力”的邀请报告。
短梗霉作为高产胞外多糖酵母底盘的潜力
研究背景
多糖是一类重要的生物大分子，在食品、医药和化工领域具有重要应用价值。然而，部分高附加值多糖的生产目前仍依赖于成本高、效率低的动植物提取，而微生物多糖底盘相对匮乏。因此，开发高产多糖微生物底盘菌株对于多糖绿色生物制造具有重要意义。微生物多糖不仅可实现大规模发酵生产，还能利用工农业废弃物作为碳源，进而选择符合生产要求的产物聚合度及结构。
短梗霉属（Aureobasidium）是一类酵母状真菌，因其生长过程中分泌黑色素而被称为“黑酵母”，具有高效合成普鲁兰多糖、聚苹果酸、Liamocin糖脂等生物产品的潜力。由于其优秀的糖耐受能力、糖前体供应能力、糖合成能力以及极具安全性等特点，短梗霉有望成为高产胞外多糖酵母底盘菌株。基于这一背景，刘光磊教授介绍了他们课题组近年来基于短梗霉多糖合成底盘的构建。通过敲除黑色素基因PKS、普鲁兰多糖合成关键基因AGS2以及cAMP信号转导关键基因CYR1，成功获得了表现优异的底盘菌株。
报告内容
01
短梗霉遗传操作系统的构建
为了优化Cre-LoxP系统和抗生素标记的不稳定性，研究组建立了基于磷酸果糖激酶（PFK）缺陷型的葡萄糖生长缺陷筛选标记的遗传操作系统。这一系统实现了高转化子阳性率、基于启动子的异源基因可控拷贝以及菌株传代稳定性。随后，利用该系统成功敲除了短梗霉的黑色素合成基因（PKS），提高了胞外多糖品质并避免了碳源浪费。为了进一步开发短梗霉底盘，研究组揭示了产黑色素短梗霉的普鲁兰多糖合成途径，确定了关键合成酶Ags2以及四个重要引物蛋白Glg1、Glg2、Sgt1、Gcs1。通过完全敲除AGS2基因，获得了不产生普鲁兰多糖的底盘细胞。
图1. 基于葡萄糖生长缺陷筛选标记的遗传操作系统
02
短梗霉多糖调控机制的解析
短梗霉多糖调控机制的解析对于认识底物供应机制和优化底盘细胞至关重要。通过分析普鲁兰多糖合成基因的启动子，确定了压力响应元件Msn2，并验证其主要调控UGP1基因，即涉及多糖合成前体UDP-葡萄糖供应的UDP-葡萄糖焦磷酸化酶基因。Msn2的活性与cAMP-PKA信号通路密切相关，高cAMP水平抑制Msn2进入细胞核，而低cAMP水平下Msn2正调控多糖合成。通过建立胞内cAMP检测系统，发现短梗霉在高葡萄糖浓度和低cAMP条件下切换至多糖合成状态。随后，敲除cAMP信号通路关键基因CYR1以维持低水平cAMP，从而实现高水平多糖合成。这表明短梗霉能够在相对高临界糖水平下解除抑制，提供前体，展示了作为耐糖性优秀的胞外多糖底盘菌株的特性。此外，研究团队构建了不同表达模式的启动子库和不同定位元件库，深入挖掘底盘菌株的应用潜力。
图2. 压力调控元件Msn2对短梗霉多糖合成的调控机制
03
短梗霉底盘菌株的初步应用
短梗霉具有淀粉酶、菊粉酶，可利用木薯淀粉、菊粉等非粮生物质。同时，具备五、六碳糖共利用能力，可以直接偶联纤维素降解菌热纤梭菌CBS糖化液进行高效的普鲁兰多糖合成。此外，研究团队成功利用短梗霉底盘菌株搭建软骨素和透明质酸的合成途径，实现了这两种生物大分子的初步合成。刘光磊教授表示未来将继续利用短梗霉底盘进行更广泛的多糖绿色生物制造研究。
图3. 热纤梭菌--短梗霉联合发酵生产普鲁兰多糖
专家介绍
刘光磊，中国海洋大学海洋生命学院教授，Green Carbon青年编委。主要从事海洋酵母菌多糖、糖脂等代谢途径解析、重构以及调控机制的研究。近年来，主持山东省优青项目1项，国家自然科学基金3项，山东省重点研发计划项目1项，山东省自然科学基金重大基础研究项目子课题1项，参与绿色生物制造国家重点研发计划课题1项。以第一或通讯作者在Molecular Microbiology, The ISME Journal, Critical Reviews in Biotechnology, Carbohydrate Polymers等杂志发表SCI论文30篇。
供稿丨吴升磊 硕士研究生
中国科学院青岛能源所 代谢物组学研究组
中国海洋大学
编辑丨Green Carbon期刊中心
审核丨Green Carbon期刊中心
关于
Green Carbon
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Green Carbon（绿碳，ISSN 2950-1555）是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所创办、与科爱集团联合出版的开放获取英文学术期刊，聚焦绿色碳资源的开发与利用、化石碳资源的绿色转化与利用、排放碳资源的固定与利用，以及多尺度碳循环的分析与管理等主题，推动可持续发展领域的科技创新，打造多学科融合的国际一流学术交流平台。期刊将发表原创性研究论文、综述类文章、社论、简短通讯、观点和专题类文章。
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