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钩虫贪铜菌表面展示的构建及电化学应用.pdf

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摘要

钩虫贪铜菌(Cupriavidusnecator)又名真养罗尔斯通氏菌,是一种可以利用CO2

等无机碳源生产有机物质的氢氧化细菌,由于其具有高效的固碳能力和聚羟基脂肪酸

(PHA)积累特性,因此被广泛应用于单细胞蛋白(Singlecellprotein,SCP)的生产,

对应对全球粮食短缺和碳排放问题具有重要意义。与其他微生物相比,SCP的氢氧化

细菌生产具有显著的优势。因为它生长迅速,生成时间短,同时它可以固定二氧化碳

(CO)并合成聚β羟丁酸(PHB)、生物燃料和其他化学品,因此在国内外被广泛关

2

注。

由清洁电能驱动的生物电化学系统(Bioelectrochemicalsystems,BES)被认为是

C.necator从CO中直接生产SCP的一种有前途的方法。目前,C.necator在生物电化学

2

系统中的最大问题是阴极室中产生的活性氧(reactiveoxygen,ROS),这对细菌生长

是有害的。因此,有必要找到一种更好的方法来清除ROS。实验发现,在BES中加入

超氧化物歧化酶(Superoxidedismutase,SOD)后,C.necator可以更好地生长,因为

它可以有效地分解超氧阴离子自由基,避免造成过氧化杀伤,使细菌自溶。

课题针对于生物电化学系统中电解水产氢过程阴极会产生氧自由基造成过氧化

杀伤的问题,创新性的利用表面展示技术将SOD锚定在C.necator的外膜表面,形成一

层保护膜,有效的将菌株与氧自由基分隔开,从而达到促进菌株生长的目的。在这项

研究中,以IgAβ锚定蛋白为主,构建了一些表面展示有SOD的C.necator菌株。分析了

启动子、信号肽以及linker对细胞表面显示SOD活性以及BES中生长的影响,并通过荧

光实验验证了有蛋白质展示在细菌表面。随后,组建了一个以H、O、CO为底物,

222

相对安全、连续的,实验室剂量的生物电化学系统进行抗ROS生长实验。最后,由

pBAD-SOD-E-tag-IgAβ表面显示的C.necatorCMS在7天内的生长可以达到OD600为

4.9±1.0,相当于1.7±0.3g/L干细胞重量(DryCellWeight,DCW),生产速度为0.24±

0.04g/L/dDCW,比原C.necatorCMS(OD600为1.8±0.3)增加了约2.7倍。实验结果证

明,利用表面展示技术展示SOD清除生物电化学系统中ROS的可行性和可靠性,这项

研究可以为菌种的生长和在BES中生产CO来源的SCP和其他化学品提供一个有效和

2

新颖的策略。

关键词:二氧化碳;单细胞蛋白;生物电化学系统;细胞表面显示;氢氧化细菌

ABSTRACT

Cupriavidusnecator,formerlyknownasRalstoniaeutropha,isahydrogen-oxidizing

bacteriumthatcanutilizeinorganiccarbonsourcessuchasCOtoproduceorganicmatter,

2

andiswidelyusedintheproductionofsingle-cellprotein(SCP)duetoitshighcapacityfor

carbonfixationandaccumulationofpolyhydroxyfattyacid(PHA),whichisimportantfor

copingwithglobalfoodshortageandcarbonemissionproblems.Thebacterialproductionof

SCPhassignif

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