利用微生物將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為燃料、材料和化學(xué)品是生物制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)中葡萄糖等六碳糖和木糖等五碳糖的同等高效利用。
已經(jīng)有很多研究嘗試對(duì)單一菌株的代謝途徑進(jìn)行改造，或采用不同的菌株進(jìn)行分工合作，以實(shí)現(xiàn)五、六碳糖的同步利用。但受限于五碳糖不能被高效利用，目標(biāo)化學(xué)品的生產(chǎn)效率普遍不高。
近年來(lái)，隨著合成生物學(xué)的快速發(fā)展和微生物組計(jì)劃的提出，合成微生物組也在加速發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)原料中五、六碳糖組分的同等高效利用，中國(guó)科學(xué)院微生物研究所李寅課題組提出了創(chuàng)制“Y型人工菌群”的新概念（如圖）。Y型人工菌群由兩株源于同一出發(fā)菌株、能夠生產(chǎn)同樣目標(biāo)產(chǎn)物的工程菌株構(gòu)成。Y型的兩個(gè)“頭部”代表五、六碳糖的代謝途徑，一個(gè)“身體”代表共同的目標(biāo)產(chǎn)物生產(chǎn)途徑。
Y型人工菌群應(yīng)當(dāng)具備四個(gè)特點(diǎn)：（1）能同等高效代謝五、六碳糖；（2）五、六碳糖的代謝正交，互不干擾；（3）五、六碳糖的代謝速率與目標(biāo)產(chǎn)物生產(chǎn)速率匹配；（4）菌群組成菌株均為全染色體編輯，無(wú)需抗生素和誘導(dǎo)劑，以保持生產(chǎn)過(guò)程中的遺傳穩(wěn)定性。
為測(cè)試這一概念可行性，研究人員以丁醇為目標(biāo)產(chǎn)物，通過(guò)對(duì)大腸桿菌進(jìn)行系統(tǒng)的代謝工程改造，創(chuàng)制了一個(gè)Y型人工菌群。其中一株菌為能夠優(yōu)先利用六碳糖高產(chǎn)丁醇的大腸桿菌EB243，另外一株菌為能夠高效利用五碳糖高產(chǎn)丁醇的大腸桿菌EB243X。該菌群以混合糖為原料進(jìn)行批式發(fā)酵，可生產(chǎn)約21 g/L丁醇，得率為理論值的85%，是目前報(bào)道利用混合糖生產(chǎn)丁醇的水平。
進(jìn)一步對(duì)該Y型人工菌群進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，可通過(guò)調(diào)整兩個(gè)菌株的初始比例，使該菌群適應(yīng)不同比例的五、六碳糖底物以及不同的通氣條件，故Y型人工菌群表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，具有工業(yè)應(yīng)用的潛力。
這項(xiàng)研究是該課題組繼2017年創(chuàng)建全染色體編輯的高產(chǎn)丁醇菌株（Metabolic Engineering, 2017, 44: 284-292）后又一具有工業(yè)化潛力的研究，為利用合成微生物組思想解決五、六碳糖共利用問(wèn)題提供了新思路，也為進(jìn)一步降低生物法生產(chǎn)丁醇的成本奠定了基礎(chǔ)。
相關(guān)工作已發(fā)表在領(lǐng)域期刊Metabolic Engineering上，博士生趙春華和盧旺達(dá)籍博士生Jean Paul Sinumvayo為該文的共同第一作者，研究員李寅和張延平為共同通訊作者。該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和“863”計(jì)劃資助。
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