甲醇来源丰富、价格低廉,已成为生物制造行业极具吸引力的底物之一.构建微生物细胞工厂实现甲醇到增值化学品的生物转化,具有过程绿色、条件温和、产品体系多样等优势,不仅能拓展基于甲醇的产品链,还能缓解当前生物制造"与民争粮、与粮争地"的问题,是实现绿色生物制造的重要手段.因此,阐明不同天然甲基营养菌中涉及甲醇氧化、甲醛同化和异化途径对于后续基因工程改造工作至关重要,也更有利于构建新型非天然甲基营养菌.本文讨论了甲基营养菌中甲醇代谢途径的研究现状,并结合近年来天然和人工合成甲基营养菌在甲醇生物转化中的应用进展及面临的挑战.

目的:考察甲基营养菌J1-1甲醇脱氢酶启动子活性与吡咯喹啉醌(PQQ)产量的相关性.方法:通过定点突变甲醇脱氢酶P0771启动子,利用lacZ作为报告基因检测突变启动子的转录水平,筛选出活性下降的突变启动子在J1-1中替换天然启动子获得突变菌株,检测突变菌株甲醇脱氢酶表达、酶活以及菌体生长和PQQ产量.结果:定点突变了7个P0771启动子,利用lacZ作为报告基因筛选出2个启动活性较天然启动子下降的突变启动子P0771-1、P0771-5,替换J1-1中天然启动子获得的突变菌株甲醇脱氢酶酶活都低于J1-1,在增菌培养基中其PQQ的合成水平分别提高约9.76％、11.6％.结论:通过启动子突变,降低甲醇脱氢酶启动子活性可以提高J1-1的PQQ产量.

吡咯喹啉醌(PQQ)广泛存在于生物体内,具有促进机体生长、维护线粒体功能、促进神经生长因子合成和调节机体自由基水平等生理功能,在医药、食品和化妆品领域具有广阔的应用前景.为提高脱氮生丝微菌Hyphomicrobium denitrificans FJNU-6的PQQ生产性能,文中以高浓度甲醇为拮抗因子进行实验室适应性定向驯化,通过光谱法快速筛选体系,选育PQQ高产正突变株.6轮适应性驯化后,每轮驯化的正向突变率达到90％以上,产量提高1倍的突变株达到10％左右.最后,利用5L发酵罐对突变株FJNU-R8进行分批补料培养,相较于出发菌株,突变株在不同甲醇浓度下pqq和moxF基因簇的表达量较高且差异较小,甲醇消耗和生长速度较慢,PQQ产量达到1 087 mg/L (143 h),单位细胞产量提高了1.42倍,展现出良好的工业应用潜力.文中所述的适应性定向驯化结合快速筛选体系能简单、快速地获得高产PQQ的生丝微菌突变菌株,对其他甲基营养菌高产PQQ突变株的高通量筛选具有借鉴作用.

甲醇作为一种来源广泛、价格低廉、还原度高的非粮原料有望成为下一代生物制造的关键原料.利用合成生物学技术构建能够高效利用甲醇的重组微生物以实现从甲醇到高值化学品的生物转化已成国内外研究热点,但由于甲醇代谢过程的特殊性及复杂性,目前人工设计的甲基营养菌还难以实现以甲醇为唯一碳源进行生长及产物合成.基于对天然甲基营养菌甲醇代谢过程的分析,从甲醇脱氢酶的筛选与改造、甲醛同化途径的重构与优化、甲醇到化学品的生物转化几个方面对合成型甲基营养菌的构建策略及面临的挑战进行总结与分析,以期为今后合成型甲基营养菌的人工设计和利用提供一定的借鉴.

[背景]由于甲基营养菌被发现的时间较短,而且可以生产吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone,PQQ)的甲基杆菌属细菌只有少数菌株的全基因组序列被公布,增加了该类细菌基因组学和生物代谢途径研究的难度.[目的]将本实验室筛选的PQQ生产菌经多种诱变方式处理,用于提高PQQ的发酵产量.对高产突变菌株进行全基因组解析,以探究甲基杆菌PQQ合成的分子机制,为后续分子育种提供序列背景信息.[方法]将野生型PQQ生产菌株进行紫外诱变、亚硝基胍诱变、甲基磺酸乙酯诱变、硫酸二乙酯诱变和紫外-氯化锂复合诱变.将突变菌株利用PromethION三代测序平台和MGISEQ-2000二代测序平台测序,然后进行组装和功能注释.组装得到的全基因组序列与模式菌株扭脱甲基杆菌AM1(Methylobacterium extorquens AM1)进行比较基因组学分析.[结果]经11轮诱变获得一株突变菌株NI91,其PQQ产量为19.49 mg/L,相较原始菌株提高44.91％.突变菌株NI91的基因组由一个5 409 262 bp的染色体组成,共编码4957个蛋白,与模式菌株M.extorquensAM1比较发现其PQQ合成过程中剪切加工相关的基因pqqF和pqqG缺失,但首次在甲基营养菌中发现与基因pqqF具有相似功能的基因pqqL,且基因pqqC/D的序列存在较大差异.[结论]为甲基营养类细菌甲基杆菌的功能基因组学研究及PQQ合成机理研究提供了基础数据支持,NI91与模式菌株M.extorquens AM1的比较基因组学分析为揭示PQQ合成的不同机理提供了分子基础.