近期，江南大学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)。饶志明教授为论文的通讯作者，江南大学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。

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

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。

专家介绍

饶志明教授

饶志明教授，博士生导师，现任江南大学生物工程学院副院长，曾任食品科学与技术国家重点实验室副主任和江苏省产业技术研究院食品生物技术研究所常务副所长。入选中组部“国家特殊支持计划”科技创新领军人才、科技部中青年领军人才、伦世仪杰出青年基金获得者、教育部新世纪优秀人才、江苏省杰出青年基金获得者、江苏省青蓝工程中青年学术带头人等人才计划。受聘为江南大学轻工技术与工程一流学科方向PI，学科带头人，是科技部新一代工业生物技术创新团队核心成员、国家自然科学基金委通讯评审专家、中国发酵工程专家委员会委员。

近年来主持承担或完成包括国家重点研发、863项目、国家基金面上项目、 973子课题及企业委托课题等20余项。受聘为“十二五”国家863计划 “有机酸生物制造关键技术研究”项目首席专家。研究开发的微生物发酵法高效生产高值氨基酸等多个产品转让到企业并成功实现产业化，取得显著社会经济效益。

近5年以通讯作者在包括Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、ACS Catalysis、Metabolic Engineering、Green Chemistry、中国科学、微生物学报、生物工程学报、化工学报等权威期刊合作发表论文150余篇，其中SCI论文80余篇，IF>10分4篇，IF>5分15篇。授权国家发明专利50项，授权国际发明专利6项，以排名第一获得中国商业联合会科技进步特等奖、江苏省科技进步二等奖和中国轻工业联合会科学技术发明二等奖等多项科技奖励。参与获得国家教学成果二等奖2项、江苏省教学成果特等奖、一等奖和二等奖各1项。

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