工业生物催化剂的代谢反应机制与相关构建的研究

　　传统的工业生物催化剂改造主要关注碳物质代谢的改造，通过改造物质流所涉及的酶，提高代谢途径酶系活力，阻断或降低副产物途径或构建新的代谢途径，基本解决了物质代谢的网络结构的构建及相关酶的调控问题，但是对细胞代谢反应网络中信号、能量和氧化还原力的传递者辅因子在代谢过程中的机理、作用规律、调控方法等缺乏科学的认识。关于辅因子对全局代谢流分配和基因转录表达等工业微生物催化过程的作用机制研究较少，导致改造结果往往难以实现预期目标，成为制约生物制造大规模推广应用的瓶颈。

　　本项目针对工业生物催化剂的代谢反应机制与相关构建的研究，围绕“辅因子与碳物质代谢的调控机制研究”和“高效生物催化剂的构建与优化”两个关键科学问题，从基因组、转录组和代谢组角度研究辅因子对基因转录或代谢流分配的影响，阐述辅因子对基因转录表达和碳代谢流调控的作用机制，揭示途径中代谢流的关键动力学节点与限速步骤，为途径上功能模块组装的优化设计提供理论依据。依据系统生物学的信息，设计代谢途径，并对辅因子调控部件进行理性的设计、重组、表征，精确调控物质代谢与辅因子代谢的适配，从而建立高效生物催化剂的构建方法，为具有原创性的“高效生物制备能源”及“化学品的生物制造替代”等典型的重大工程应用奠定科学基础，并形成“节能、降耗、减排”的工业示范新技术。

一、科学目标

　　目针对生物制造过程中存在的低转化率、低反应速率与低产率的“三低”问题，从工业生物催化剂的代谢反应机制与高效生物催化剂的构建与优化角度开展新一代的生物催化剂构建研究。阐明辅因子对碳物质代谢的协同作用规律，考察辅因子对碳物质流分配及细胞转录调控表达的影响，建立系统的生物催化剂的改造和调控理论，为高效工业生物催化剂的构建提供新的研究思路。通过对工业生物催化剂的代谢反应机制与相关构建的基础科学性研究，实现丁醇、乙醇等生物能源、维生素C和乳酸等大宗化学品以及氨基酸和核苷酸等精细化学品的合成路线替代，实现生产过程的节能、降耗、减排，形成若干具有自主知识产权的清洁高效制备新技术，有效推动我国工业生物技术的发展。

二、研究内容

　　围绕项目总体科学目标，针对关键科学问题，开展以下四个方面的研究。

　　1．新一代代谢网络模型的构建

　　根据基因组、蛋白质和酶、中间代谢产物、生化反应、碳物质代谢途径、辅因子代谢等诸多方面的数据库信息，建立基因-蛋白质-生化反应-辅因子之间联系相互作用关系模型，构建基因调控网络、信号转导网络、蛋白质相互作用网络和代谢网络，并进行模拟与分析，为辅因子代谢调控提供模型基础。

　　2．辅因子对基因转录表达和代谢流调控的作用机制研究

　　研究微生物的基因组序列信息，细胞中基因转录情况及转录调控规律，鉴定蛋白质的表达、存在方式(修饰形式)、结构、功能和相互作用等，分析代谢流分配状态，通过整合各种组学数据，考察辅因子对碳物质代谢和基因表达的作用机制，建立预测能力显著提高的调控网络模型。对目标化合物的生物合成途径，以及代谢网络中的重要途径和关键分支节点进行代谢控制分析，分析辅因子对节点处代谢流量和中间产物浓度所造成的扰动，揭示途径中代谢流的关键动力学节点与限速步骤，为辅因子代谢调控奠定理论基础。

　　3．目标化合物合成最优途径设计

　　根据相关数据库信息，针对于一个给定的化合物获得大量可能的代谢途径，通过模拟计算代谢途径的热动力学，还原力平衡等策略选择最可行的代谢途径。通过将不同来源的酶或不同宿主产生的代谢路径结合进单个微生物中或体外表达，同时通过对酶进行基因修改让其具有新的功能来构建新的代谢途径制备大宗化学品、精细化学品及生物能源。

　　4．辅因子代谢调控体系构建与表征

　　以生物丁醇等生物能源、维生素C等大宗化学品、赖氨酸和环磷腺苷等精细化学品为研究对象，建立基于辅因子与物质代谢相结合的调控策略。在优化合成途径设计的基础上，进行模块的解析和解耦，提出模块组装的策略，从数据库中进行挖掘，快速筛选出催化活性最高的结构元件，通过理性设计、定向进化等手段进一步提高其催化活性，在对结构元件进行功能表征的基础上，构建催化各类生化反应的结构元件库。

　　5．物质代谢与辅因子代谢的适配优化

　　根据丁醇、维生素C、环磷腺苷等化合物合成代谢途径对辅因子需求的差异分析，在上述研究的指导下通过基因改造或环境胁迫的方式对酵母、杆菌和霉菌等微生物的代谢途径进行改造，实现碳物质代谢途径和辅因子代谢途径的动力学匹配，解除反馈抑制或阻遏效应，使其碳物质流重新分配，提高人工细胞合成目标产品的效率，部分产品实现途径替代，在工业化水平上实现生产效率提高30%以上、降低能耗与污染物排放30%以上。

三、资助期限

　　资助期限5年 （2014年1月至2018年12月）。

四、资助经费

　　资助经费1 800万元。

五、申请注意事项

　　（1）申请人应当认真阅读本《指南》和通告，不符合本《指南》和通告的项目申请不予受理。

　　（2）申请书的资助类别选择“重大项目”，亚类说明选择“项目申请书”或“课题申请书”，附注说明选择“工业生物催化剂的代谢反应机制与相关构建的研究”（以上选择不准确或未选择的项目申请不予受理）。

　　（3）“项目申请书”中的“主要参与者”只填写各课题“申请人”相关信息；“签字和盖章页”中“依托单位公章”盖“项目申请人”所属依托单位公章，“合作研究单位公章”盖“课题申请人”所属依托单位公章。

　　（4）“课题申请书”中的“主要参与者”包括课题所有主要成员相关信息；“签字和盖章页”中“依托单位公章”盖“课题申请人”所属依托单位公章，“合作研究单位公章”盖合作研究单位的法人单位公章。

　　（5） “项目申请书”和“课题申请书”应当通过各自的依托单位提交。

　　（6）本项目由化学科学部和生命科学部联合提出，由化学科学部负责受理。