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青島能源所實現次黃嘌呤的高效生物合成
2020-03-05 | 編輯: | 【 】| | 供稿部門:生物基材料組群
    

  嘌呤化合物是一類重要的生命活性物質,是細胞內的能量載體、輔酶因子,也是遺傳物質DNA和RNA的重要結構組分。另外,嘌呤及其衍生物在食品添加劑、醫藥等方面也具有廣泛的應用。次黃嘌呤是一種常見的嘌呤化合物,具有高活性的6-羥基功能團。次黃嘌呤的衍生物,例如6-巰基嘌呤是重要的抗腫瘤藥物和植物生長調節劑。由于嘌呤類化合物具有廣泛的生物活性和應用價值,使得人們對于該類化合物的高效合成產生了濃厚興趣。

  在絕大多數微生物中,嘌呤的合成途徑主要有從頭合成途徑和補救途徑。嘌呤的從頭合成途徑是以5-磷酸核糖焦磷酸(PRPP)和谷氨酰胺為前體,經過10步反應合成次黃嘌呤核苷酸(IMP),IMP再通過兩條支路分別轉化為腺苷單磷酸(AMP)和 鳥苷單磷酸(GMP)。同時,IMP也可以進一步降解為次黃嘌呤。盡管嘌呤化合物的從頭合成途徑早已探明,但該合成途徑受到轉錄阻遏、轉錄衰減以及底物反饋抑制等不同層面的嚴密調控,天然狀態下難以積累。青島能源所生物基材料組群趙廣研究組近期在大腸桿菌內成功實現了次黃嘌呤的高效合成,并利用轉錄組學和熒光定量PCR技術分析了嘌呤代謝途徑的合成調控機制。首先通過解除調控蛋白PurR的轉錄阻遏調控、關鍵酶定點突變緩解底物反饋抑制、提高嘌呤合成前體的積累,破壞IMP的分支代謝途徑等方法將次黃嘌呤的積累提高近10倍。在5L發酵罐水平次黃嘌呤積累達到791.54 mg/L。然而在次黃嘌呤發酵過程中發現,副產物乙酸和黃嘌呤的積累顯著。為解決副產物的積累問題,該課題組研究人員發現全局調控因子ArcA在嘌呤代謝調控中具有較好的效果,乙酸副產物的積累從8.40 g/L降低至1.21 g/L,而次黃嘌呤的產量達到1243 mg/L。

  通過轉錄組學和熒光定量PCR技術分析發現,經過上述改造后,嘌呤合成操作子pur和乙醛酸循環途徑的基因表達水平顯著上調,而IMP轉化為AMP和GMP分支途徑的基因表達下調。乙醛酸循環是副產物乙酸的重要同化途徑,而且該循環沒有CO2的流失,乙醛酸循環的上調可能是降低副產物合成,提高碳源轉化率的重要機制。同時利用熒光定量PCR技術分析發現,全局調控因子ArcA不僅可以調控中心碳代謝途徑,例如TCA循環、糖酵解途徑、磷酸戊糖途徑、乙醛酸循環,還可以直接調控嘌呤操縱子的基因表達水平。該項研究不僅實現了大腸桿菌內次黃嘌呤的高效生物合成,還為嘌呤類衍生物及核苷的生物合成調控提供了理論依據。

  該項研究成果發表在ACS Synthetic Biology期刊,相關系列研究獲得了國家自然科學基金、山東省杰出青年基金、中國科學院重點項目等的資助。(文/圖 劉敏 趙廣)

  相關成果發表:https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acssynbio.9b00396

  Min Liu, Yingxin Fu, Wenjie Gao, Mo Xian*and Guang Zhao*. Highly efficient biosynthesis of hypoxanthine in Escherichia coli and transcriptome-based analysis of the purine metabolism. ACS Synthetic Biology. DOI: 10.1021/acssynbio.9b00396

   圖1  葡萄糖合成次黃嘌呤的代謝調控 

 
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