近期，我校生物工程学院饶志明教授团队在高效合成核黄素方面取得重要进展，研究成果“Metabolic engineering of Bacillus subtilis for enhancing riboflavin production by alleviating dissolved oxygen limitation”正式发表于Bioresource Technology(IF=9.642) (https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125228)。
核黄素又叫微生物素B2，是B族维生素的一种，广泛应用于制药工业以及作为食品和饲料添加剂。核黄素参与机体中一些重要的氧化还原反应，当缺乏时，就影响机体的生物氧化，使代谢发生障碍。革兰氏阳性枯草芽孢杆菌是目前最具竞争力的核黄素生产者，已广泛应用于核黄素的商业生产工艺中。在发酵过程中，随着溶解氧张力的降低，核黄素产量急剧下降。氧气供应对枯草芽孢杆菌合成核黄素代谢途径的影响机制尚不清楚。因此，探究溶氧对核黄素产量的影响及通过代谢工程策略缓解溶解氧限制对提高核黄素产量有重要意义。
饶志明团队首先通过比较转录组分析不同溶氧条件下枯草芽孢杆菌全基因组范围内基因表达变化。氧气供应不足导致枯草芽孢杆菌数千个基因的表达发生了显著变化，其中包括嘌呤代谢、氮代谢、能量代谢等代谢途径相关的基因。核黄素的前体物质GTP是通过嘌呤代谢途径合成的，编码该途径关键酶由pur操纵子的基因编码。低溶氧下pur操纵子基因发生显著变化，其中，基因purD和purF表达下调最为明显，分别为69.55和23.92倍，这与RT-qPCR分析结果一致。而嘌呤途径抑制因子purR表达水平上调2.64倍，这可能是导致嘌呤途径基因下调的主要因素。因此，敲除基因purR解除对嘌呤途径的限制，使核黄素产量提高16.21%。溶氧供应不足导致氮代谢的两个全局调节因子TnrA和GlnR表达水平显著上调，该两个调控因子参与细胞内氮代谢。在缺氧条件下，许多细菌具有表达呼吸和同化硝酸盐还原酶的能力，利用环境中丰富的氮源作为呼吸底物和营养物质促进生长。因此，利用反义RNA策略抑制基因tnrA和glnR的表达使核黄素的产量分别提高12.05%和23.37%。为了进一步缓解溶氧限制，在枯草芽孢杆菌中过表达vgb基因（编码血红蛋白VHb）缓解溶氧限制，且利用基因tnrA的启动子动态控制vgb基因的表达，该启动子在低溶氧下表达水平显著提高。因此，在摇瓶发酵中动态控制基因vgb表达使核黄素产量提高18.62%。最后，利用组合代谢工程策略解除嘌呤代谢限制，平衡细胞内氮代谢并过表达基因vgb，使核黄素产量在摇瓶发酵水平提高50.78%，达到2.5g/l。工程菌株的核黄素产量在5L发酵罐水平提高45.51%，滴度达到10.71 g/l。本研究为缓解溶氧限制，进一步提高核黄素产量提高提供新的思路和方向。
图形摘要
饶志明教授为论文的通讯作者，我校2017级博士生尤甲甲为第一作者。上述研究得到了国家重点研发计划（2018YFA0900300）、国家自然科学基金（No. 21778024, 32071470）等资助。
近年来饶志明教授团队以合成生物学科学理论为指导，在系统开展高效合成高值化合物细胞工厂构建及产业化方面取得丰硕成果，相关研究成果已发表在Science Advances (2020)、Nature Communication (2018)、ACS Catalysis (2018)、Advanced Materials (2018)、Bioresource Technology (2017，2020)、Green Chemistry (2016)、Metabolic Engineering (2016)等本领域权威期刊。
