（1）博士研究生：   陈修来（2016年江苏省优秀博士学位论文）

    导师： 刘立明 教授

    专业：发酵工程

    论文题目：系统代谢工程改造光滑球拟酵母生产富马酸

摘要：本论文以光滑球拟酵母(Torulopsis glabrata)CCTCC M202019为研究模型，借助全基因组规模代谢网络模型iNX804 (Genome scale metabolic model iNX804, GSMM iNX804)深入分析富马酸所参与的代谢途径，结合系统代谢工程与合成生物学的相关技术手段，从系统生物学水平上研究和改造快速高效的富马酸代谢路径、增强富马酸代谢路径中中间代谢物的传输效率、抑制富马酸生产过程中副产物的产生，从而降低碳流的流失、提高富马酸的积累量。主要研究结果如下：

1. 借助T. glabrata基因组规模代谢网络模型iNX804，对富马酸前体苹果酸合成途径进行计算，并结合文献挖掘，确定苹果酸最佳合成途径为胞质还原路径，这一途径涉及到丙酮酸羧化酶(pyruvate carboxylase，PYC)和苹果酸脱氢酶(malate dehydrogenase，MDH)；利用代谢工程策略将源于Rhizopus oryzae的PYC和MDH，过量表达于T. glabrata中构建苹果酸合成的胞质还原途径，苹果酸积累量由0.80 g/L提高到4.8 g/L；通过对苹果酸胞质还原途径进行代谢流限制性模拟分析，发现限制胞外苹果酸高效积累的瓶颈在于转运能力弱，进而将源于Schizosaccharomyces pombe的苹果酸转运基因SpMAE1过量表达，最终苹果酸积累量达到8.5 g/L；

2. 富马酸酶作为TCA循环中的重要酶，能够催化苹果酸脱水生成富马酸，是R. oryzae富马酸积累路径中的关键酶。然而，该胞质富马酸酶对底物富马酸的亲和力是对苹果酸的17倍。为了改善该酶的催化效率，采用分子对接的方法筛选出在底物结合位点B区域内具有改善催化效率的潜在突变位点H159S、H159Y、H159V、P160A、P160H、P160T、N161R、N161E、N161F、D162W、D162K和D162M。通过对富马酸酶进行定点突变，测定突变酶的动力学参数(如：K_m、k_cat、k_cat/K_m等)，筛选出突变体P160A，使得K_m降低了53.2%，k_cat/K_m提高了33.2%。最后，通过在苹果酸生产菌株T.G-PMS中表达突变体P160A，获得的工程菌株T.G-PMS-P160A能够积累5.2 g/L富马酸；

3. 利用线粒体工程修饰改造氧化TCA循环，构建富马酸高效合成路径，涉及的关键酶为α-酮戊二酸脱氢酶(α-ketoglutarate dehydrogenase complex，KGD)、琥珀酰CoA合成酶(succinyl-CoA synthetase，SUCLG)和琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase，SDH)。通过构建融合蛋白KGD2-SUCLG2，提高路径底物传输效率；通过控制KGD2-SUCLG2和SDH1的基因表达水平，优化富马酸合成路径。上述改造获得的工程菌株T.G-KS_(H)-S_(M)的富马酸积累量达到8.24 g/L。另外，通过分析以α-酮戊二酸为前体的胞内氨基酸水平(如：Glu、Gln、Lys和Pro)和涉及该氨基酸代谢的关键基因表达水平，确定了关键代谢瓶颈为精氨琥珀酸裂解酶(Argininosuccinate lyase，ASL)，并对ASL进行了过量表达。最后，利用转运子SFC1和SpMAE1实现了富马酸的有效转运，最终改造的工程菌株T.G-KS_(H)-S_(M)-A-2S能够积累15.7 g/L的富马酸；

4. 借助T. glabrata GSMM iNX804，挖掘所有富马酸相关的代谢途径，包括：TCA还原路径、尿素循环、嘌呤核苷酸循环和氨基酸代谢路径，并分别进行代谢工程改造研究不同路径对富马酸合成的影响，最终确认尿素循环与嘌呤核苷酸循环为富马酸生产的最佳路径，涉及的关键酶分别为精氨琥珀酸裂解酶(Argininosuccinate lyase，ASL)和腺嘌呤琥珀酸裂解酶(Adenylosuccinate lyase，ADSL)。当控制ASL和ADSL的表达水平分别为高和低时，工程菌株T.G-ASL_(H)-ADSL_(L)的富马酸积累量达到5.62 g/L。另外，借助转运工程策略，将源于S. pombe的二羧酸转运蛋白SpMAE1在工程菌T.G-ASL_(H)-ADSL_(L)中进行过量表达，最终工程菌T.G-ASL_(H)-ADSL_(L)-SpMAE1能够积累8.83 g/L富马酸；

5. 通过重新剪接碳代谢网络，选择了富马酸合成路径中的10个必需基因，并将其划分为3个模块：还原模块(PMFM模块)、氧化模块(KSSS模块)和副产物模块(RPSF模块)。通过将PMFM模块和KSSS模块分别定位到细胞质与线粒体中，能够将更多的代谢流导向富马酸合成。利用蛋白质工程，获得富马酸酶突变体P160A、构建融合蛋白RoMDH-P160A和KGD2-SUCLG2，有效地改善了底物的传输效率；通过优化路径中基因表达强度，实现了代谢流的平衡，从而大幅度提高了富马酸的积累量。当控制RoMDH-P160A、RoPYC、KGD2-SUCLG2和SDH1的表达水平分别为高、高、高和中时，工程菌TGFA091-12的富马酸积累量达到20.46 g/L。另外，通过构建DNA绞手架固定RoPYC和RoMDH-P160A进行协同催化、合成sRNA开关sRNA-RHR2和sRNA-PDC6降低副产物的积累，进一步提高了富马酸的积累量，达到33.13 g/L。

关键词：光滑球拟酵母，富马酸，尿素循环，嘌呤核苷酸循环，全基因组规模网络代谢模型，富马酸酶，二羧酸转运蛋白，RNA开关

（2）硕士研究生：   叶超 （2016年江苏省优秀硕士学术学位论文）

    导师： 刘立明 教授

    专业：发酵工程

    论文题目：典型产油脂真菌高山被孢霉和裂殖壶菌基因组规模代谢网络模型的构建与解析

摘要：多聚不饱和脂肪酸(PUFAs)指含有两个或两个以上双键且碳链长度为18-22个碳原子的直链脂肪酸，主要包括ω-6(如花生四烯酸, ARA)和ω-3(如二十二碳六烯酸, DHA)。高山被孢霉虽然是工业化生产ARA的菌株，但仍存在原料利用率低、培养周期长和PUFAs合成机制有待完善等问题，而用裂殖壶菌生产DHA的相关研究仍然处于起步阶段。本文分别构建了高山被孢霉和裂殖壶菌的基因组规模代谢网络模型(Genome-scale Metabolic Model, GSMM)。运用基于约束的分析算法对所构建的模型进行模拟和分析，根据模拟结果来指导实验，并运用比较基因组学的方法对两个模型进行比较，从而发现两者之间高产PUFAs的共性和差异。主要结果如下：

1. 利用同源比对和KAAS在线注释工具，构建了高山被孢霉的粗模型。通过整合生化数据库和文献数据对模型进一步精炼，将模型分为胞内、线粒体、胞外和过氧化物酶体4个细胞分区、添加了247个转运反应和216个交换反应。利用基于Matlab平台开发的Cobra工具箱对模型进行漏洞填补，最终得到了高山被孢霉的GSMM，具有1854个反应、1732个代谢物和1106个基因，将其命名为iCY1106，基因覆盖率为9.51%。必需基因的鉴定结果表明，在以葡萄糖为碳源的最小生长培养基中，有86个必需基因，而以酵母膏为氮源的培养基中仅有49个必需基因。通过基因组注释和文献挖掘，以乙酰辅酶A为前体伴随NADPH合成ARA过程中的一系列脱饱和酶和延长酶被注释出。

2. 运用流量可变分析和鲁棒性分析软件发现ARA积累的最适氧气吸收速率为2.0 mmol·gDW^-1·h^-1。结合模型发现高山被孢霉胞内有10条途径可以积累乙酰辅酶A。FBA流量分析结果表明从磷酸烯醇式丙酮酸到丙酮酸的途径是胞内乙酰辅酶A的主要来源。而对乙酰辅酶Ａ的消耗途径分析发现，在ARA合成阶段用于氨基酸合成的流量大大降低，因此可通过限氮抑制氨基酸的合成从而提高ARA产量。最后研究了在不同ARA生产强度下涉及NADPH反应的流量变化情况，发现有53个相关反应流量变化明显。其中，苹果酸酶(ME, EC: 1.1.1.40)被证实在ARA的合成过程中能够提供大量的NADPH。进一步运用最小代谢调整(MOMA)算法模拟敲除ME，导致ARA生成速率下降了38.28%。

3. 类似的，利用KAAS和GO在线注释工具，结合同源比对，构建裂殖壶菌的粗模型。接着对模型进行一系列的精炼和漏洞填补，最终得到了裂殖壶菌的GSMM，具有1769个反应、1659个代谢物和1170个基因，命名为iCY1170_DHA，基因覆盖率为7.87%。结合文献挖掘和基因组注释结果证实裂殖壶菌中存在直接以乙酰载体蛋白为前体合成DHA的聚酮合酶系统(PKS)，而不是通过传统的脂肪酸合成(FAS)途径合成DHA，乙酰辅酶A和NADPH仍然是PKS途径合成DHA关键因素。由于柠檬酸是TCA循环中能直接生成乙酰辅酶A的有机酸，模拟限定柠檬酸最大吸收速率为1.0 mmol·gDW^-1·h^-1，使DHA生成速率提高了37.1%，通过柠檬酸裂解酶(ACL, EC: 2.3.3.8)提供的乙酰辅酶A流量增加了23.2%。在苹果酸酶的作用下，苹果酸能生成NADPH，模拟添加苹果酸，限定苹果酸的最大吸收速率为1.0 mmol·gDW^-1·h^-1，使DHA的产量提高了24.5%，并且由苹果酸酶催化提供的NADPH流量增加了28.6%。

4. 在酵母膏培养基中模拟，发现裂殖壶菌对9种氨基酸(Ala、Gly、Asn、Asp、Cys、Glu、Gln、Ser和Thr)吸收速率达到了最大设定值，表明这9种氨基酸可能对裂殖壶菌的代谢有着重要的作用。进一步在最小葡萄糖培养基中模拟单独添加每种氨基酸对DHA生成速率的影响，依然发现只有添加这9种氨基酸能使DHA生成速率提高。在500 mL摇瓶上验证添加这9种氨基酸，有6种氨基酸(Ala、Gly、Asn、Glu、Ser和Thr)能够提高DHA的产量。其中，添加Asn使得DHA的产量提高了50.55%，达到9.56 g·L^-1。结合MOMA算法，预测出30个潜在的可以显著提高DHA生成速率的过量表达靶点，如过量表达乙酰辅酶A合成酶，DHA的生成速率从0.01 mmol·gDW^-1·h^-1增加到0.0143 mmol·gDW^-1·h^-1，增加了43%。

5. 通过比较高山被孢霉和裂殖壶菌的KOG分类结果，发现代谢相关的分类中，脂转运及代谢的分类占所有基因的比例分别达到了5.05%和3.89%，表明两菌都含有丰富的脂代谢亚系统。通过比较高山被孢霉、裂殖壶菌和解脂耶氏酵母三个生产PUFAs菌株的模型，发现三者共有457个反应，高山被孢霉特有264个反应，而裂殖壶菌有343个特有反应。分析两菌模型的模拟结果，Glu是唯一的能够提高ARA和DHA的氨基酸。乙酰辅酶A羧化酶和丙酮酸脱氢酶复合体是调控乙酰辅酶A合成PUFAs的关键因素，而苹果酸酶、6-磷酸葡萄糖脱氢酶和磷酸葡萄糖脱氢酶催化的反应则是PUFAs合成过程中NADPH的主要来源。

关键词： 高山被孢霉；裂殖壶菌；基因组规模代谢网络模型；花生四烯酸；二十二碳六烯酸

（3）硕士研究生：  宋伟（2016年江苏省优秀硕专业学位论文）

    导师： 刘立明 教授

    专业：轻工技术与工程

    论文题目：酶法水解精氨酸胍基制备L-鸟氨酸和L-瓜氨酸的研究

摘要：L-鸟氨酸和L-瓜氨酸是非蛋白质氨基酸，在尿素循环中起着非常重要的作用。L-鸟氨酸和L-瓜氨酸被广泛应用于医药、食品和精细化工等领域。本文从水解L-精氨酸胍基的角度出发，实现精氨酸的高值化，利用精氨酸酶 (Arginase，EC3.5.3.1，简称ARG) 和精氨酸脱亚胺酶 (Arginine Deiminase，EC3.5.3.6，简称ADI) 将L-精氨酸胍基水解，生产L-鸟氨酸和L-瓜氨酸，从构建高产酶的菌株和建立高效催化体系两个方面开展研究，进而建立一种高效生产L-鸟氨酸和L-瓜氨酸的新途径。主要结果如下：

1. 基于对精氨酸胍基基团衍生化关键反应的分析，得到精氨酸胍基基团的生化反应和关键酶类。L-精氨酸在精氨酸酶和精氨酸脱亚胺酶的作用下，经胍基水解分别得到L-鸟氨酸和L-瓜氨酸这两种典型产品。

2. 在构建精氨酸酶高产菌株时，结合数据库检索和文献调研对精氨酸酶相关参数进行挖掘，最终选择Bacillus caldovelox DSM411生产的ARG作为精氨酸胍基水解生产L-鸟氨酸的酶制剂。为了克服野生菌株生产ARG酶产量低的缺点，通过密码子优化以及分子生物学手段，将ARG基因过量表达于E. coli BL21 (DE3) 中，获得一株ARG高产菌株FMME096。重组菌株FMME096经过培养基和诱导条件优化，在最优培养基TB培养基中培养6 h后，添加0.4 mmol·L^-1的IPTG诱导6 h，ARG酶活可达177.3 U·mL^-1，比野生菌株提高了47.9倍。通过对重组ARG生化特征研究，发现重组ARG最适温度为60^oC，最适pH为9.0；Mn²⁺是ARG的激活剂，在添加Mn²⁺的条件下，ARG酶活力提高了28%。

3．经转化条件优化得到精氨酸胍基水解生产L-鸟氨酸的高效转化体系：12 g·L^-1的菌体细胞和170 g·L^-1的L-精氨酸在60^oC、pH9.0的条件下转化4 h，此时L-鸟氨酸的产量即可达到最大值105.3 g·L^-1，转化率为81.3%。外源添加Mn²⁺对ARG有激活作用，Mn²⁺的浓度为10 µmol·L^-1时，L-鸟氨酸的产量最高为112.3 g·L^-1，转化率87.1%，比未添加Mn²⁺提高了6.6%，单位菌体L-鸟氨酸产量为9.4 g·g^-1。

4. 在构建精氨酸脱亚胺酶高产菌株时，以易错PCR对ADI进行突变，通过从突变文库里筛选获得一株性质改善的ADI生产菌株FMME106 (R127T, R395M)。突变菌株K_m值降为3.5 mmol·L^-1，比活力为195.7 U·mg^-1，提高了38.3%。通过对重组ADI生化特征研究，发现重组ADI最适温度为50^oC，最适pH为7.2。综合考察了培养基种类、甘油浓度、葡萄糖浓度、乳糖浓度对ADI生产的影响，得到最佳的ADI生产条件：在TBA培养基中，甘油8 g·L^-1，葡萄糖0.6 g·L^-1，乳糖3 g·L^-1，酶活可以达到7.5 U·mL^-1，是野生菌株的90多倍，单位菌体产酶能力达到2.5×10³ U·g^-1。

5. 在建立精氨酸胍基水解生产L-瓜氨酸高效催化体系的过程中，采用静息细胞转化法生产L-瓜氨酸，底物进出细胞是影响催化的限制性因素。通过正交实验得到最佳转化组合为：15 g·L^-1的菌体细胞 (2%异丙醇处理30 min) 和190 g·L^-1的L-精氨酸在50^oC、pH7.2的条件下转化8 h，L-瓜氨酸的产量最高为172.1 g·L^-1，转化率为90.1%，生产强度为21.5 g·(L·h)^-1，单位菌体L-瓜氨酸产量为11.8 g·g^-1。其中L-精氨酸是影响转化的最主要因素。

关键词：L-精氨酸；L-鸟氨酸；L-瓜氨酸；精氨酸酶；精氨酸脱亚胺基酶；发酵优化；酶转化