[发明专利]一种食甲酸和CO2

说明书

本发明公开了一种食甲酸和CO₂自养的重组大肠杆菌及其构建方法，属于微生物代谢工程领域和合成生物学领域。本发明以最常用的大肠杆菌为出发菌，通过导入甲酸同化的模块化质粒和CO₂同化的模块化质粒，构建了一株以甲酸和CO₂为唯一碳源进行快速生长的大肠杆菌；整个构建过程简单、周期短、通用性高；该重组菌可借助甲酸脱氢酶突变体来提升胞内还原型辅因子NAD(P)H水平，让重组菌具有“食用”甲酸来促进丙酮酸从头合成的能力，最终获得食甲酸和CO₂自养的大肠杆菌；接种至甲酸和CO₂为唯一碳源的培养基发酵培养，重组菌56小时内最高可获得0.9个OD₆₀₀生物量，而原始菌几乎没有生长；这也是目前在没有基因敲除和长期驯化等手段辅助下，生长速度最快的食甲酸和CO₂自养的大肠杆菌。

技术领域

本发明公开了一种食甲酸和CO₂自养的重组大肠杆菌及其构建方法，属于微生物代谢工程领域和合成生物学领域。

背景技术

随着社会经济的快速发展和化石能源的过度开发利用，温室气体的大量排放给环境生态、全球气候、人类生产生活带了巨大威胁。二氧化碳就是其中排放量最大的代表性温室气体，尤其是化石燃料与工业排放的二氧化碳已接近400亿吨每年。如何有效治理和利用二氧化碳已成为当今世界最关注的科学问题之一。

CO₂作为一种最基本的碳资源，是合成其他碳中性化合物（例如植物光合作用产葡萄糖）的重要前体。因此，将CO₂转化为化工原料或燃料，既能解决温室气体排放治理的问题，也能解决人类长期依赖化石能源导致资源匮乏的问题。那么，如何高效、环保地转化CO₂为化工原料呢，目前，植物和藻类的光合作用是全球分布最广、应用最为普遍的CO₂生物固定与转化方式。然而，光合作用仅局限于含有叶绿体的真核细胞中，不但生长速度慢、季节性影响大，而且大部分植物光能利用率不超过1%，限制了这种CO₂转化方式在工业水平的应用。近年来，随着电催化技术和光催化技术的迅速发展，可以充分利用清洁廉价的太阳能和电能来还原转化CO₂。比如利用贵重金属纳米材料负载的电极可以在一定负电压下还原CO₂到CO、甲酸、甚至甲醇等简单的一碳化合物。甲酸作为二氧化碳还原的产物之一，是最容易制备的水溶性一碳化合物，也是大多数微生物可直接利用转化并且毒性最低的、最简单的有机碳源。因此，为弥补电催化或者光催化还原二氧化碳产物简单的问题，可以配合具有下游转化路径的微生物，利用合成代谢的优势来实现还原产物附加值的升级。同时，微生物（例如大肠杆菌）生长速度快、基因编辑便捷、具有工业应用背景，若配合甲酸代谢和CO₂固定转化，将有望真正实现二氧化碳的高效循环利用。

大肠杆菌是工业发酵和产物升级的模式菌株，开发其CO₂生物固定具有重要研究意义。目前，针对大肠杆菌甲酸和CO₂同化利用的还原甘氨酸途径，往往采用辅助碳源（例如葡萄糖）来帮助大肠杆菌获取足够的电子和能量来还原CO₂，从而获得能够转化CO₂为生物质并且增加细胞生物量的大肠杆菌。显然，该方式导致了高级有机碳源的浪费，是一种不经济的生物固碳方式。近来，也有以色列研究团队采用300多天的长期实验室驯化方式，获得能够适应甲酸和CO₂为唯一碳源进行生长的大肠杆菌。同时，也有韩国团队通过大肠杆菌的多组学分析、大量基因敲除、代谢通路精确调节、电子传递优化等系统生物学手段，最终获得最佳重组菌。虽然以上方式获得了一些食甲酸和CO₂自养的重组大肠杆菌，但是仍然存在操作周期长、投入成本高、通用性能差的问题。因此，开发一种简单通用的生物固碳模块，并以此获得一种食甲酸和CO₂自养的重组大肠杆菌，对生物固碳的工业应用具有重要指导意义。

发明内容