研究组组长：姜卫红 研究员
主要研究方向及内容：课题组致力于开展重要工业微生物的代谢调控和代谢工程研究，聚焦产溶剂梭菌和产抗生素链霉菌。在建立和完善分子遗传操作平台的基础上，发掘和鉴定与重要表型相关的功能基因、代谢途径和调控因子，解析其分子机制；并进行重要功能元件（结构元件、调控元件和信号响应元件）的作用适配和功能优化，从而为相关工业菌株高效合成化学品或天然产物提供适用的分子元件和新策略。
研究队伍：
工作人员：顾阳，郑国松
博士后：田进忠
博士研究生：张灿，刘彦强，贾德臣，张焕，赵然，邓王姝颖，杨朋洁，闫晋慈，董志祥
工程硕士（导师为顾阳研究员）：吴雨薇，张紫文
联合培养硕士研究生（河南大学）：何美玉，田一
年度研究进展
1. 基于细胞内源性群体感应和CRISPRi的新型多靶点动态调控系统
传统的基因敲除和过表达等静态代谢工程手段的局限性逐渐显现，对新技术、新策略的需求日益迫切。能够时空特异性响应细胞环境变化的动态调控系统应运而生，已成为优化微生物产品效价的有用工具。然而，现有的动态调控系统往往需要通过繁琐的测试和优化过程，也很难同时对多个关键节点进行差异化控制，这阻碍了它们在工业微生物中的推广应用。我们设计、构建了一种新型的动态调控系统EQCi，通过使用γ-丁内酯信号分子响应的启动子驱动dCas9基因的表达，巧妙地将内源性群体感应系统与基因转录抑制技术（CRISPRi）进行有机偶联。EQCi整合了二者的技术优点，能够同时对代谢途径中多个基因进行全自动、精细动态调节，并且操作简单、适用范围广。我们选择具有抗衰老、抗癌和免疫抑制等生物活性的重要天然化合物—雷帕霉素作为目标产物，利用EQCi重塑了雷帕霉素工业菌株—雷帕链霉菌的初级代谢网络。首先，通过分别下调三羧酸循环途径、脂肪酸合成途径和莽草酸途径三个初级代谢途径中关键节点基因的转录，以增加雷帕霉素生物合成的前体供应，显著提高了其效价。在此基础上，进一步使用EQCi系统对三个途径中的关键节点进行组合干预，并对每个节点的控制强度进行精细微调。获得的最佳工程菌株的雷帕霉素效价达到1836±191 mg/L，为目前报道的最高水平。与出发菌株相比，提高了约660%。此外，我们还在另一株链霉菌—天蓝色链霉菌中测试了EQCi系统，通过动态控制三羧酸循环中的关键节点，亦大幅提高了次级代谢产物放线紫红素的产量。这些研究结果说明了该动态调控策略的有效性。相关研究工作发表于Nucleic Acids Research。
2. 链霉菌中基于dCas9-胞嘧啶核苷脱氨酶复合体的碱基编辑器的开发
胞嘧啶碱基编辑器（CBE）是一种新型的基因编辑工具，它将CRISPR-Cas系统的靶向特异性和胞嘧啶核苷脱氨酶的催化活性进行融合，借助该工具可以实现基因组上特定位点的胞嘧啶（C）到胸腺嘧啶（T）的转换，进而将密码子CAA、CAG、CGA、TGG转换为终止密码子TAA、TAG或TGA，导致靶基因的失活。由于CBE不会造成DNA的双链断裂，也不依赖于宿主自身的同源重组修复途径，因此，适用于同源重组能力弱的链霉菌基因组编辑。本研究将dCas9与七鳃鳗来源的胞嘧啶核苷脱氨酶PmCDA1进行融合，并在羧基端引入尿嘧啶DNA糖苷酶抑制子（UGI）和LVA降解标签，获得了融合蛋白dCas9-CDA-ULstr，进而开发出胞嘧啶碱基编辑器pKC-dCas9-CDA-ULstr。在模式菌天蓝色链霉菌中的测试结果显示，该编辑器对单碱基的编辑效率高达100%，对两个和三个位点同时编辑的效率分别为60%和20%。进一步研究表明，本研究开发的胞嘧啶碱基编辑器同样适用于雷帕链霉菌的基因组编辑，单基因的编辑效率高达100%。相关研究工作发表于Sci China Life Sci。
3. 食气梭菌化能固碳的交互调控新机制
自养型食气梭菌能够利用富含一氧化碳和二氧化碳的工业合成气发酵生产以乙酸、乙醇为主的多种化学品和生物燃料，也是目前极少数实现一碳气体发酵技术工业化应用的微生物。因此，对食气梭菌吸收和转化一碳气体的分子机制进行全面、深入的解析，是进一步提升其固碳效率以及细胞发酵性能的基础和关键。为解析食气梭菌化能固碳的交互调控机制，我们首先利用蛋白质乙酰化组学技术，全面分析了食气梭菌——永达尔梭菌中的蛋白质乙酰化修饰谱。在此基础上，成功鉴定了起主效作用的乙酰化修饰系统At2/Dat1。进一步研究发现，At2/Dat1参与了化能固碳关键酶——甲酸脱氢酶FDH1和碳代谢相关全局性调控蛋白CcpA的乙酰化修饰反应和功能调节。有趣的是，CcpA又能反向直接调控甲酸脱氢酶基因fdh1和乙酰基转移酶基因at2的表达，从而在转录和翻译后修饰的不同层次上形成一种交互影响甲酸脱氢酶FDH1活性的调控模式。基于上述认识，我们通过对该调控线路进行重构，实现了菌株的二氧化碳利用能力的显著提升。与对照菌株相比，工程菌的二氧化碳利用量和乙酸、乙醇总产量分别提高了129%和124%。该研究不仅揭示了自养细菌中重要固碳酶甲酸脱氢酶的多层次代谢调控机制，也为此类复杂代谢调控网络的设计与优化提供了重要参考。相关研究工作发表于mBio。
4. 食气梭菌乙醇代谢的动力学规律及菌株优化
微生物可利用廉价原料合成气发酵产生化学品。合成气（syngas）主要由一氧化碳、二氧化碳和氢气组成，它来源广泛，煤化工、钢铁工业、石油炼厂等生产过程中均可产生，是一种极具应用潜力的可持续能源与化工生产原料。近年来，利用产乙酸菌发酵合成气生产乙醇技术引起广泛关注。然而，该发酵过程的乙醇产量低，是工业化应用的瓶颈。我们与中国科学院青岛生物能源与过程研究所李福利课题组合作，构建了食气梭菌——永达尔梭菌（Clostridium ljungdahlii）的功能基因突变株，在鉴定乙醇合成和乙酸回用关键基因的同时阐明了利用合成气生产乙醇过程的能量代谢调控机制。研究表明，乙醇代谢对于永达尔梭菌自养生长过程中NADH/NAD+的循环起着重要调节作用，且与菌体生长以及ATP合成紧密关联。通过追踪C13标记的乙醇和乙酸的代谢历程，并结合比较转录组学和遗传学分析，我们进一步阐明了该菌代谢乙醇的关键途径与碳回流机制，从而为优化该菌乙醇合成以及乙酸回用途径提供了重要参考。相关研究工作发表于Applied and Environmental Microbiology。此外，通过设计新型的气液发酵装置，目前双方合作开发的工程菌株的乙醇产量已达到40 g/L以上，产物组成以产酸为主转变为产醇为主，极大地推动了合成气生物合成乙醇技术的工业化应用进程。
年度代表性论文：
1. Tian JZ, Yang GH, Gu Y, Sun XQ, Lu YH*, Jiang WH* (2020). Developing an endogenous quorum-sensing based CRISPRi circuit for autonomous and tunable dynamic regulation of multiple targets in Streptomyces. Nucleic Acids Res, 48(14): 8188-8202.
2. Yang YP, Zhang H, Lang NN, Zhang L, Chai CS, He HQ, Jiang WH*, Gu Y* (2020). The small RNA sr8384 is a crucial regulator of cell growth in solventogenic clostridia. Appl Environ Microbiol, doi: 10.1128/AEM.00665-20.
3. Zhang L, Liu YQ, Zhao R, Zhang C, Jiang WH*, Gu Y* (2020). Interactive regulation of formate dehydrogenase during CO2 fixation in gas-fermenting bacteria. mBio, 11: e00650-20.
4. Yang YP, Lang NN, Zhang L, Wu H, Jiang WH*, Gu Y*(2020). A novel regulatory pathway consisting of a two-component system and an ABC-type transporter contributes to butanol tolerance in Clostridium acetobutylicum. Appl Microbiol Biotech, 104: 5011–5023.
5. Zhang L, Zhao R, Jia DC, Jiang WH*, Gu Y* (2020). Engineering Clostridium ljungdahlii as the gas-fermenting cell factory for the production of biofuels and biochemicals. Curr Opin Chem Biol, 59:54–61.
6. Liu ZY, Jia DC, Zhang KD, Zhu HF, Zhang Q, Jiang WH, Gu Y*, Li FL* (2020). Ethanol metabolism dynamics in Clostridium ljungdahlii grown on carbon monoxide. Appl Environ Microbiol, 86 (14): e00730-20.
