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    天工所團(tuán)隊(duì)利用工程化菌株實(shí)現(xiàn)可食用菌蛋白的高效合成

    發(fā)布時間：2024-01-03

      來源：生輝SciPhi

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    2023年12 月 28 日，來自中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的李德茂團(tuán)隊(duì)發(fā)表最新研究。該團(tuán)隊(duì)通過阻斷副產(chǎn)物合成、以及優(yōu)化發(fā)酵條件等方法，基于Fusarium venenatum鐮刀菌開發(fā)出了低排放、高產(chǎn)率的真菌蛋白生產(chǎn)方法。
     
    結(jié)果表明，與野生型菌株相比，經(jīng)過工程化改造的菌株其菌蛋白合成率提高 57%，碳轉(zhuǎn)化率提高 62%，蛋白質(zhì)含量提高 57%，同時二氧化碳排放量顯著降低。
    相關(guān)論文Efficient Mycoprotein Production with Low CO?Emissions through Metabolic Engineering and Fermentation Optimization of Fusarium venenatum已在線發(fā)表于Journal of Agricultural and Food Chemistry期刊。
    （來源：Journal of Agricultural and Food Chemistry）
     
    Fusarium venenatum（以下簡稱 “F. venenatum”）產(chǎn)生的真菌蛋白是一類優(yōu)質(zhì)的動物/植物源蛋白質(zhì)替代品。其中，由F. venenatumA3/5 菌株所產(chǎn)的真菌蛋白 Quorn 已經(jīng)完成產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，在全球范圍內(nèi)進(jìn)入市場銷售。然而，基于該方法的菌蛋白產(chǎn)量較低，因此近年以來，眾多研究者圍繞著F. venenatum的工程化改造以及發(fā)酵工程開展優(yōu)化工作。
    糖酵解（glycolysis）是指細(xì)胞在無氧條件下，葡萄糖在細(xì)胞質(zhì)中被分解成為丙酮酸的過程。作為該過程的最終產(chǎn)物，丙酮酸又在細(xì)胞整個代謝過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。
     
    一些早期研究已經(jīng)證實(shí)，改變真菌中丙酮酸的代謝途徑可以顯著提高目標(biāo)化學(xué)品的產(chǎn)量。而在實(shí)際研究過程中，研究者還在F. venenatum的發(fā)酵過程中發(fā)現(xiàn)大量的副產(chǎn)物乙醇。考慮到乙醇是丙酮酸代謝途徑中的下游產(chǎn)物，那么在此之前，其代謝途徑中還包括利用丙酮酸脫羧酶將丙酮酸催化成為二氧化碳和乙醛。
    該過程中，排放出的二氧化碳無疑是限制碳轉(zhuǎn)化的重要因素之一。因此，研究者試圖通過編輯丙酮酸脫羧酶基因從而阻斷后續(xù)代謝通路，其不僅能夠顯著提高真菌蛋白合成的碳轉(zhuǎn)化率，同時還有利于減少碳排放。
    （來源：Journal of Agricultural and Food Chemistry）
    為了驗(yàn)證上述策略的可行性，研究團(tuán)隊(duì)基于 CRISPR/Cas9 工具針對 F. venenatum 基因組中丙酮酸脫羧酶基因 FvPDC6 等進(jìn)行修改，從而獲得工程化菌株 ΔFvPDC6。
     
    結(jié)果如研究者所料，在 1L 搖瓶中發(fā)酵 96 小時后，菌株 ΔFvPDC6 中沒有檢測到乙醇產(chǎn)生，而野生型中的乙醇產(chǎn)量達(dá)到 5.80g/L。通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵 96 小時后 ΔFvPDC6 的生物量產(chǎn)量已達(dá)到 6.23g/L，葡萄糖消耗僅為 18.5g/L。與之相比，野生型菌株的產(chǎn)量為 6.11g/L，但是葡萄糖消耗量已達(dá)到 31.0g/L。這些數(shù)據(jù)證實(shí)，F(xiàn)vPDC6 是主要的丙酮酸脫羧酶基因，并且其可以作為提升真菌蛋白合成效率的突破點(diǎn)之一。
     
    值得注意的是，研究者發(fā)現(xiàn)經(jīng)過不同的發(fā)酵時間之后，ΔFvPDC6 與野生型菌株之間的蛋白質(zhì)增量數(shù)據(jù)與時間不成比例。這就說明在修改 FvPDC6 之后，還有其他未知因素影響了工程化菌株的蛋白質(zhì)產(chǎn)量。
     
    為此，研究者進(jìn)一步對野生型和 ΔFvPDC6 菌株進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)分析。分析結(jié)果顯示，F(xiàn)vPDC6 基因修飾后導(dǎo)致有機(jī)酸水平顯著上調(diào)，其中包括乙酰丙酸、辛二酸、丙酮酸等。然而與乙醇不同的是，這些富集的有機(jī)酸仍然以非常低的水平存在。
     
    除此之外，富集的丙酮酸又增強(qiáng)了糖異生途徑，因此，研究者考慮通過過表達(dá)丙酮酸羧化酶基因 FvPYC 和刪除磷酸烯醇丙酮酸羧激酶基因 FvPCK 的方法來阻斷糖異生途徑，從而補(bǔ)充草酰乙酸鹽并固定二氧化碳。由此，獲得了菌株 ΔFvPPOEP。
    ▲圖丨糖異生途徑的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)分析（來源：Journal of Agricultural and Food Chemistry）
     
    在綜合考慮碳轉(zhuǎn)化率與蛋白質(zhì)產(chǎn)量增加數(shù)據(jù)之后，研究者認(rèn)為在 5L 的反應(yīng)器中進(jìn)行 48 小時發(fā)酵是最佳選擇。因此在該條件下，經(jīng)過上述改造的工程化菌株 ΔFvPPOEP 的菌蛋白合成率、碳轉(zhuǎn)化率和蛋白質(zhì)含量與野生型菌株相比分別提高了 16%、73% 和 25%。
     
    在此之后，研究團(tuán)隊(duì)嘗試向生物反應(yīng)器中添加 ZnSO4以提高菌蛋白合成速率，最終確定其添加量為 20mg/L。
     
    總體而言，經(jīng)過發(fā)酵工藝優(yōu)化之后，工程化菌株 ΔFvPPOEP 的菌蛋白合成率、碳轉(zhuǎn)化率和蛋白質(zhì)含量與野生型菌株相比分別提高了 57%（0.212 vs 0.135g/L·h）、62%（0.351 vs 0.217g/g）和 57%（61.9 vs 39.4%）。
     
    上述數(shù)據(jù)表明，在相同蛋白產(chǎn)量的情況下，經(jīng)工程化改造的F. venenatum菌株在發(fā)酵過程中葡萄糖消耗可有效減少 61%，并且發(fā)酵周期縮短一半以上，這極大地促進(jìn)了基于F. venenatum的菌蛋白生產(chǎn)效率。不僅如此，考慮到鋅在人類營養(yǎng)和健康中的重要作用，該發(fā)酵方法或?qū)⒃谖磥頌榭墒秤酶讳\菌蛋白的合成提供方向。（來源：生輝SciPhi）

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    天津市農(nóng)科院技術(shù)干部調(diào)研羊肚菌基地

    為深入了解天津本地羊肚菌種植銷售情況，近日，天津市農(nóng)...

    2023-05-04 09:13:55

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