發(fā)布時(shí)間：2020-10-16 19:14

　　 二氧化碳過(guò)量排放會(huì)導(dǎo)致氣候變化和環(huán)境破壞。微生物電合成是一種較有前途的、可持續(xù)的技術(shù),可以通過(guò)向微生物提供電能來(lái)形成細(xì)胞內(nèi)還原當(dāng)量,從而還原二氧化碳并合成燃料和化學(xué)品,如氫、醇和碳?xì)浠衔锏�。許多產(chǎn)乙酸菌可以通過(guò)直接接觸的細(xì)胞外電子傳遞機(jī)制直接從電極上吸收電子,從而形成細(xì)胞內(nèi)還原力,將二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙酸。然而,這些產(chǎn)乙酸菌的基因組編輯方法尚未建立,這極大地阻礙了可合成產(chǎn)品的多樣性。為了克服這一缺點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)基因組編輯的非電活性細(xì)菌(例如羅爾斯通氏菌Ralstonia eutropha H16)可以被引入,因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)電子載體(如還原氧化還原染料)間接吸收電子來(lái)獲得胞內(nèi)還原力。為了避免反應(yīng)性氧物種抑制細(xì)胞生長(zhǎng),我們首先采用了雙室生物電化學(xué)反應(yīng)器,其中陰極室的羅爾斯通氏菌被質(zhì)子交換膜與陽(yáng)極室隔離開(kāi)來(lái),這樣陽(yáng)極產(chǎn)生的反應(yīng)性氧物種無(wú)法穿透質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極。其次,我們構(gòu)建了酶輔助微生物電合成系統(tǒng),將甲酸脫氫酶與中性紅介導(dǎo)的微生物電合成系統(tǒng)結(jié)合。這一方面大大降低了過(guò)電勢(shì),只需要提供-0.6 V的恒電位就可以驅(qū)動(dòng)微生物電合成系統(tǒng),大量節(jié)省了電能。另一方面,酶催化形成的甲酸和中性紅都可以作為電子載體供給細(xì)胞內(nèi)還原力,這種“雙管齊下”的電子傳遞模式極大地加速了從陰極到羅爾斯通氏菌的電子傳輸。第三,我們?cè)谒拗骶炅_爾斯通氏菌中異源表達(dá)了來(lái)自細(xì)長(zhǎng)聚球藻PCC7942的關(guān)鍵酶1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶,有效地提高了開(kāi)爾文循環(huán)的效率,從而有效提高了CO_2的固定速率和聚羥基丁酸酯的產(chǎn)率。這項(xiàng)研究設(shè)計(jì)出一種新的構(gòu)建高效的微生物電合成系統(tǒng)的方法,有效地實(shí)現(xiàn)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為聚羥基丁酸酯。一方面,我們通過(guò)將甲酸脫氫酶加入到我們的微生物電合成系統(tǒng)中來(lái)加速電子從工作電極到微生物的傳輸,這大大提高了PHB的產(chǎn)量(378 mg/L)。另一方面,我們通過(guò)將CBB循環(huán)中的關(guān)鍵酶1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶引入到羅爾斯通氏菌H16,最高的PHB產(chǎn)量達(dá)到472 mg/L,比對(duì)照菌(PHB產(chǎn)量為164 mg/L)高出1.9倍。
【學(xué)位單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：O633.14;O646;Q939.9
【部分圖文】：

圖 1-1 Clostridia 中化學(xué)品的合成代謝路徑Figure1-3 Synthetic pathways for chemicals production in Clostridia. Abbreviations: PTA:phosphotransacetylase; AK: acetate kinase; AAD: alcohol/aldehyde dehydrogenase; ADH: alcoholdehydrogenase; AOR: aldehyde:ferredoxin oxidoreductase; THL: thiolase; HBD:3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase; CRT: crotonase; BCD: butyryl-CoA dehydrogenase; PTB:phosphotransbutyrylase; BK: butyrate kinase; CoAT: CoA transferase; AADC: acetoacetatedecarboxylase; PFOR: pyruvate:ferredoxin oxidoreductase; LDH: lactate dehydrogenase; ALS:acetolactate synthase; ALDC: acetolactate decarboxylase; 23BDH: 2,3-butanediol dehydrogenase除了產(chǎn)乙酸菌外，還有一些產(chǎn)甲烷菌（Methanobacterium palustre，Methanococcus maripaludis）[104-106]和其他一些細(xì)菌（Geobacter sulfurreducens，Desulfovibrio paquesii 和 archaeon）[107, 108]也可以應(yīng)用于 MES 中。G. sulfurreducens不能使用 CO2作為唯一的碳源，但它可以消耗琥珀酸還原 CO2為甘油[109]。G.sulfurreducens 的微陣列分析顯示，電子在從 G. sulfurreducens 生物膜到陽(yáng)極的轉(zhuǎn)移過(guò)程中，細(xì)胞色素和菌毛等基因高度表達(dá)。但是電子從陰極到 G. sulfurreducens

第 1 章 緒論依賴型的 FDH 催化 CO2產(chǎn)生甲酸，隨后，R. eutropha 同化甲酸產(chǎn)生 PHB（途徑II，圖 1）。因此，甲酸和 NR 都可以作為電子載體，可以顯著地促進(jìn)電子從陰極向 R. eutropha 的傳遞。另一方面，我們對(duì)與 R. eutropha 兼容的啟動(dòng)子進(jìn)行了優(yōu)化，并篩選出 pBAD 啟動(dòng)子能夠有效誘導(dǎo)基因的表達(dá)強(qiáng)度，并且我們首次將來(lái)自細(xì)長(zhǎng)聚球藻 PCC7942 的高效的 Rubisco 引入到 R. eutropha H16 中來(lái)合理地設(shè)計(jì)CBB 循環(huán)增加 CO2固定。

圖 2-1 Gibson 組裝法的克隆原理Figure 2-1 Cloning Principle of Gibson Assembly Method表 2-9 Gibson 組裝中 mixture 組成體系Table 2-9 Components of mixture in Gibson assembly成分 體系（μL）5×isothermal reaction buffer 8T5 exonuclease (0.2 或 1.0 U/μL) 0.8Taq DNA Ligase (40 U/μL) 4Phusion DNA polymerase (2U/μL)0.5表 2-10 Gibson 組裝中 isothermal reaction buffer 組成體系Table 2-10 Components of isothermal reaction buffer in Gibson assembly成分 體系
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本文編號(hào)：2843658