【文章內(nèi)容簡介】 提高戊糖的利用效率提供理論支撐；開展轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析、代謝控制分析和代謝流向分析，研究菌株的代謝途徑、代謝節(jié)點以及各種調(diào)節(jié)機(jī)制的變化，加深對戊糖代謝調(diào)控機(jī)理的認(rèn)識；根據(jù)輔酶工程理念，進(jìn)行分子改造或發(fā)酵工程調(diào)控，改變輔酶特異性，解決氧化還原不平衡問題；構(gòu)建高效能的磷酸戊糖途徑，使木糖、阿拉伯糖等戊糖代謝的中間產(chǎn)物進(jìn)入中心代謝途徑并向目標(biāo)代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)化。2. 微生物遺傳操作體系的建立根據(jù)微生物的遺傳特性，利用基因工程技術(shù)，建立或改進(jìn)其分子操作體系，為菌株的遺傳改造提供高效的技術(shù)平臺。首先，對已成熟的大腸桿菌和酵母遺傳操作體系進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)Cre/lox位點特異性重組系統(tǒng)的特點，建立適用于酵母等工業(yè)菌株的位點特異性系統(tǒng)及規(guī)范化操作流程，以去除因分子生物學(xué)操作引入基因組中的抗性標(biāo)記基因；進(jìn)而建立以不同啟動強(qiáng)度的啟動子為基礎(chǔ)的能夠不同水平表達(dá)目標(biāo)基因的表達(dá)體系；直接在酵母中表達(dá)β葡萄糖苷酶等纖維降解酶系組分。其次，對遺傳操作不成熟的放線桿菌、梭菌等，進(jìn)行遺傳體系的探索與建立，為其代謝工程改造提供技術(shù)支撐。3. 利用進(jìn)化或系統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)提高相關(guān)工程菌的抗逆性能分析不同預(yù)處理條件下纖維素原料水解液中的主要毒性成分及其含量，通過現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)與經(jīng)典的微生物選育技術(shù)相結(jié)合，獲得對纖維素水解液中抑制因子的高抗性菌株。利用系統(tǒng)性擾動與高通量的分析技術(shù)（如各種組學(xué)技術(shù)），結(jié)合代謝網(wǎng)絡(luò)的定量調(diào)控和計算機(jī)模擬技術(shù)，對菌株抗逆性能機(jī)制進(jìn)行研究。4. 大宗化學(xué)品生產(chǎn)用代謝工程菌的研究和改造 構(gòu)建利用纖維降解組分的工程菌，生產(chǎn)大宗平臺化合物。選擇大腸桿菌、酵母、梭菌、運動單胞菌等作為出發(fā)菌株，通過基因操作的手段，運用發(fā)酵和代謝工程的技術(shù)方法，可控制地生產(chǎn)重要平臺化合物。通過對菌體膜運輸系統(tǒng)的研究和改造，提高菌體對底物的利用能力，消除二階段生長現(xiàn)象，使其能夠同時利用纖維素水解物中的多種碳源；提高菌體的抗逆及抗不良環(huán)境（耐酸和耐抑制物）的能力；以琥珀酸、乙醇等為代表，通過異源表達(dá)和代謝阻遏提高菌體合成目標(biāo)化合物的能力。 建立利用纖維水解全糖組分的系統(tǒng)或者體系，并注重體系的協(xié)同效應(yīng)和高值轉(zhuǎn)化利用。在大腸桿菌、運動發(fā)酵單胞菌等菌株中構(gòu)建以木糖/阿拉伯糖為唯一碳源的工程菌，并利用工程菌生產(chǎn)乳酸、琥珀酸、聚羥基脂肪酸酯（PHA）、丁醇、氨基酸、木糖醇等。經(jīng)費比例：17%承擔(dān)單位：南京工業(yè)大學(xué)、山東大學(xué)、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所課題負(fù)責(zé)人：姜岷學(xué)術(shù)骨干：祁慶生、鮑曉明、何冰芳、蔡恒、譚海東課題木質(zhì)纖維素降解轉(zhuǎn)化過程強(qiáng)化的工程學(xué)原理與方法研究內(nèi)容：1. 產(chǎn)酶、酶解和發(fā)酵過程特性與優(yōu)化控制研究 產(chǎn)酶、酶解和發(fā)酵的反應(yīng)動力學(xué)研究：以降低能耗為目標(biāo)，通過實驗和理論分析，解析上述反應(yīng)系統(tǒng)中各因素的相互作用關(guān)系，采用分層建模方式（由簡單到復(fù)雜）逐步完善纖維質(zhì)原料同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇過程的動力學(xué)模型，并根據(jù)敏感性分析，探討底物中抑制物濃度、底物酶解性能與發(fā)酵性能三者之間的定量關(guān)系。由動力學(xué)模型從理論上分析同步糖化發(fā)酵過程的控制策略。 非均相酶解發(fā)酵過程的優(yōu)化控制：考慮非均相酶解過程的主要特點，包括纖維素原料的特點（結(jié)晶度、聚合度、粘度）、纖維質(zhì)原料對纖維素酶的吸附（特別是木素對纖維素酶的不可逆失活吸附）等酶解性能與發(fā)酵性能之間的定量關(guān)系，分析溫度、酶用量、底物濃度控制策略。對不同反應(yīng)器規(guī)模下的發(fā)酵過程進(jìn)行優(yōu)化和控制。：針對木質(zhì)纖維素降解轉(zhuǎn)化過程的特點（極限低水用量、極高固體含量、極低纖維素酶用量與發(fā)酵營養(yǎng)等），研究工業(yè)化約束條件下的資源節(jié)約型過程集成中的基礎(chǔ)理論問題和過程放大方法論；高粘度多相流體系的混合與傳遞過程的數(shù)學(xué)模擬、生物轉(zhuǎn)化與代謝過程中酶與細(xì)胞狀態(tài)的定量表征與調(diào)控、復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)與酶反應(yīng)體系的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)模型與過程強(qiáng)化；木質(zhì)纖維素降解產(chǎn)物的直接分離技術(shù)以及其它新型節(jié)能型分離技術(shù)；木質(zhì)纖維素全組分的物性數(shù)據(jù)庫構(gòu)建；基于Aspen plus平臺上的過程模型化與優(yōu)化；木質(zhì)纖維素降解過程全流程集成的MiniPlant評價系統(tǒng)。2. 預(yù)處理技術(shù)、生物反應(yīng)與分離過程的耦合和集成系統(tǒng) 適合預(yù)處理的物料與聯(lián)產(chǎn)反應(yīng)條件：測量底物預(yù)處理前后的纖維素、半纖維素、木素含量變化、纖維素結(jié)晶度、聚合度變化等參數(shù)，研究不同預(yù)處理條件下發(fā)酵抑制物（乙酸、糠醛、5羥甲基糠醛等）的生成動力學(xué)；研究異質(zhì)性底物降解過程中反應(yīng)的不均一性；研究酶組分耐酸堿性環(huán)境、耐毒性物質(zhì)的適應(yīng)機(jī)理，對其進(jìn)行定向進(jìn)化與理性改造；探索針對特定預(yù)處理物料的高效酶組分組合的轉(zhuǎn)化產(chǎn)糖系統(tǒng)；并建立潛在的污染評價體系。 預(yù)處理、生化反應(yīng)和產(chǎn)物分離過程的節(jié)能和酶循環(huán)利用：為代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高耗能濃縮生物燃料蒸餾法，致力于將有機(jī)溶劑和水有效分離的新型材料的基礎(chǔ)研究，力圖開發(fā)省能源、可連續(xù)式生產(chǎn)的新型膜分離技術(shù)；研究新型酶載體，開發(fā)纖維素酶回收技術(shù)，通過纖維素酶的再循環(huán)利用，降低酶的成本； 物料的全轉(zhuǎn)化與高值產(chǎn)品的多樣化：發(fā)展新的過程耦合技術(shù)和集成系統(tǒng)；優(yōu)化預(yù)處理酶解糖化雜多糖發(fā)酵過程，通過高效發(fā)酵與代謝流控制產(chǎn)生多種高值化工產(chǎn)品。經(jīng)費比例：14%承擔(dān)單位：清華大學(xué)、華東理工大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：鮑杰學(xué)術(shù)骨干：劉德華、張建安、葉蕊芳、程可可四、年度計劃研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年研究不同生長期、不同干燥方式、不同產(chǎn)地等對原料細(xì)胞壁的生物結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成的影響?？疾觳煌A(yù)處理條件下木質(zhì)纖維素原料的成分變化，開展特殊環(huán)境微生物元基因組研究，建立纖維素降解酶高通量篩選平臺，對堆肥、熱泉等微生物生態(tài)群系及糖苷水解酶進(jìn)行動態(tài)分析。針對重要纖維素降解微生物開展基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)研究，探索各酶及蛋白因子在纖維素降解過程中的機(jī)制及協(xié)同作用。研究絲狀真菌纖維素酶合成以及分泌過程中的關(guān)鍵因子，鑒定纖維素酶合成、分泌、修飾的結(jié)構(gòu)基因或調(diào)控基因。研究纖維小體結(jié)構(gòu)域的基因聚類及信息學(xué)分析，對代表性類型進(jìn)行重組表達(dá)；對代表性纖維素降解體系的關(guān)鍵蛋白質(zhì)成分進(jìn)行蛋白質(zhì)組分析；利用微生物誘變選育技術(shù)和分子生物學(xué)手段選育優(yōu)良的突變菌株或基因工程菌株；對大腸桿菌、酵母等開展系統(tǒng)分析、代謝控制分析和代謝流向分析，研究菌株的代謝途徑、代謝節(jié)點以及各種調(diào)節(jié)機(jī)制的變化，深化對微生物戊糖代謝調(diào)控機(jī)理的認(rèn)識。啟動產(chǎn)酶發(fā)酵、酶水解和乙醇發(fā)酵體系的動力學(xué)與過程特性研究，木質(zhì)纖維素降解轉(zhuǎn)化過程放大的工程學(xué)基礎(chǔ)研究，預(yù)處理體系與生物煉制聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的綜合評價。建立高通量分析、快速測定生物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的技術(shù)構(gòu)建23個特殊環(huán)境微生物元基因組文庫；篩選、發(fā)現(xiàn)新的與纖維素降解相關(guān)新基因1020個，克隆510個不同來源纖維素酶組分酶基因及非酶蛋白因子基因，確定其酶學(xué)性質(zhì)完成木霉、哈氏嗜纖維菌等不同纖維素酶誘導(dǎo)和抑制條件下差異表達(dá)譜的分析；發(fā)現(xiàn)23個絲狀真菌纖維素酶合成、修飾、分泌過程中起關(guān)鍵作用的基因。獲得高溫厭氧纖維素高效降解細(xì)菌1～5株，建立不可培養(yǎng)微生物的篩選策略。構(gòu)建Cohesin和Dockerin的重組表達(dá)體系，獲得純化的重組蛋白；確定代表性纖維素降解體系的關(guān)鍵成分；