近日，青岛农业大学生命科学学院杨建明教授团队在国际期刊Bioresource Technology发表了题为“Production of α-amylase from gluconate and carbon dioxide by protein synthesis and secretion optimization in Cupriavidus necator H16 ”的研究论文。
该研究报道了利用Cupriavidus necator H16将二氧化碳（CO2）转化为胞外酶产物α-淀粉酶，即在C. necator H16体内表达外源α-淀粉酶，并通过α-淀粉酶基因表达优化、基因组修饰和分泌系统工程等模块化方法优化α-淀粉酶生产工程菌株，实现了CO2到α-淀粉酶的转化。
二氧化碳（CO2）是人类活动产生的主要温室气体之一。近年来，生物技术的进步为CO2的利用提供了一种新的途径。
Cupriavidus necator H16 是一种化能自养微生物，可以CO2为唯一碳源进行生长和生物合成。该菌株以生产聚羟基脂肪酸（Polyhydroxybutyrate, PHB）而闻名，但其也拥有强大的蛋白合成能力，（胞内蛋白质含量最高可达75%）。因此，该菌株也被用于生产蛋白细胞蛋白（single-cell proteins, SCPs）和一些胞内酶产物（intracellular enzyme products, IEPs）。然而，目前还未有利用该菌株生产胞外酶产物（extracellular enzyme products, EEPs）的研究被报道。
本研究以应用最为广泛胞外酶的α-淀粉酶为原型，通过基因表达优化、基因组修饰和分泌系统工程三个模块构建并优化生产α-淀粉酶的C. necator H16工程菌株（图1）。研究发现，采取利用强启动子驱动α-淀粉酶基因表达以增强淀粉酶前体的合成，阻断PHB合成途径以减少碳骨架的流失、过表达内源胞内伴侣蛋白DnaJ以防止淀粉酶前体在胞内被错误折叠和降解和引入外源胞外伴侣蛋白PrsA以缓解分泌应激等策略可大幅度增强工程菌株的淀粉酶生产能力。最终整合上述策略的工程菌株以葡萄糖酸作为底物时，每单位细胞的α-淀粉酶活性可达到5.54 U/OD600，较初始工程菌株相比提高了29.2倍。以CO2作为底物时，每单位细胞的α-淀粉酶活性可达到4.26 U/OD600。本研究证明了开发C. necator H16作为自养生产α-淀粉酶的宿主的可行性。也为利用C. necator H16进行CO2到胞外酶产物的转化提供了参考。
图1：C. necator H16细胞外α-淀粉酶生产的代谢工程策略
济南大学讲师汤若昊博士为论文第一作者，青岛农业大学硕士生徐睿和高学民为共同第一作者，济南大学秦晓春教授和青岛农业大学杨建明教授为论文共同通讯作者，青岛农业大学为第一通讯单位。
本研究得到国家自然科学基金项目和山东省自然科学基金青年项目的资助，获得山东省应用真菌重点实验室、青岛农业大学光合固碳产能研究中心和济南大学光合作用与高效农业研究团队等科研平台和团队的大力支持。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852424014482?dgcid=coauthor
