Study on the isoprene-producing co-culture system of Synechococcus elongates-Escherichia coli through omics analysis

解决的核心问题

当前工业发酵多采用批式或补料批式方式，过程复杂、水耗高、难以连续生产；同时光自养与异养微生物共培养体系的相互作用机制尚不清楚，限制了其在连续发酵中的应用。

研究策略

建立Synechococcus elongatus PCC 7942与E. coli BL21(DE3)的共培养体系，在光照和葡萄糖补料下进行异戊二烯发酵；利用转录组、蛋白质组和代谢组差异分析，系统研究共培养条件下大肠杆菌对蓝藻存在的响应机制。

研究路线图

100%

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核心内容

本研究构建了聚球藻PCC 7942与大肠杆菌BL21(DE3)的共培养体系，在光照和葡萄糖补料条件下进行异戊二烯发酵，并整合转录组、蛋白质组和代谢组分析，系统阐释了大肠杆菌对蓝藻存在的响应机制。结果显示，共培养使发酵周期从100小时延长至400小时，异戊二烯产量达到0.4 g/L，较纯培养提高约7倍，最大产率接近0.5%。多组学分析表明，蓝藻通过Fenton反应产生活性氧，对大肠杆菌施加氧化胁迫，引起铁硫簇修复蛋白YtfE上调、鞭毛组装蛋白下调、核糖体蛋白上调及CusF铜外排蛋白上调等适应性变化；同时，MVA途径中间代谢物积累激活焦磷酸水解酶NudB以缓解DMAPP毒性，脂肪酸合成也相应增强。该研究首次揭示了光自养与异养微生物共培养中氧化应激驱动的互作机制，为理解微生物群落相互作用及设计连续发酵工艺提供了理论基础。

创新点

首次建立蓝藻-大肠杆菌共培养体系用于异戊二烯生产；通过多组学关联分析揭示了大肠杆菌在共培养中响应蓝藻氧化胁迫的分子机制；发酵时间从100小时延长至400小时，异戊二烯产量提高约7倍。

研究对象（30）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
E. coli BL21(DE3)	MVA途径	ispS	isoprene synthase	催化	来自质粒pYJM20，催化DMAPP生成异戊二烯
E. coli BL21(DE3)	MVA途径	mvaE	acetyl-CoA acetyltransferase/HMG-CoA reductase	催化	来自质粒pYJM20，催化MVA途径上游两步反应
E. coli BL21(DE3)	MVA途径	mvaS	HMG-CoA synthase	催化	来自质粒pYJM20，催化HMG-CoA合成
E. coli BL21(DE3)	MVA途径	ERG12	mevalonate kinase	催化	来自质粒pYJM14，催化甲羟戊酸磷酸化
E. coli BL21(DE3)	MVA途径	ERG8	phosphomevalonate kinase	催化	来自质粒pYJM14，催化甲羟戊酸磷酸盐进一步磷酸化
E. coli BL21(DE3)	MVA途径	ERG19	mevalonate pyrophosphate decarboxylase	催化	来自质粒pYJM14，催化甲羟戊酸焦磷酸脱羧生成IPP
E. coli BL21(DE3)	MVA途径	IDI1	IPP isomerase	催化	来自质粒pYJM14，催化IPP与DMAPP互变
E. coli BL21(DE3)	氧化应激响应	bfr	bacterioferritin	催化	结合亚铁离子并氧化储存，减少Fenton反应
E. coli BL21(DE3)	铁硫簇修复	ytfE	iron-sulfur cluster repair protein YtfE	催化	修复Fenton反应损伤的铁硫簇蛋白
E. coli BL21(DE3)	应激响应	cspD	cold shock-like protein CspD	调控	上调以改变细胞周期，提高耐受性
E. coli BL21(DE3)	应激响应	—	ea8.5	调控	毒性蛋白上调，参与细胞周期调控和耐受性
E. coli BL21(DE3)	应激响应	pspB	phage shock protein B	调控	噬菌体休克蛋白，应对氧化压力
E. coli BL21(DE3)	应激响应	pspD	phage shock protein D	调控	噬菌体休克蛋白，应对氧化压力
E. coli BL21(DE3)	应激响应	pspE	phage shock protein E	调控	噬菌体休克蛋白，应对氧化压力
E. coli BL21(DE3)	鞭毛组装	flgE	flagellar hook protein FlgE	调控	鞭毛合成下调，减弱运动能力
E. coli BL21(DE3)	鞭毛组装	flgI	flagellar P-ring protein FlgI	调控	鞭毛合成下调，减弱运动能力
E. coli BL21(DE3)	鞭毛组装	flgH	flagellar L-ring protein FlgH	调控	鞭毛合成下调，减弱运动能力
E. coli BL21(DE3)	鞭毛组装	flgN	flagellar protein FlgN	调控	鞭毛合成下调，减弱运动能力
E. coli BL21(DE3)	细胞运动	yciG	protein YciG	调控	上调，与细胞运动及基因水平转移相关
E. coli BL21(DE3)	氧化应激响应	cpxR	transcriptional regulator CpxR	调控	抑制呼吸链NADH脱氢酶I表达
E. coli BL21(DE3)	铜离子外排	cusF	periplasmic copper-binding protein CusF	转运	上调以加强铜离子外排，减轻毒性
E. coli BL21(DE3)	泛醌代谢	yaiF	protein YaiF	催化	上调以降解泛醌，缓解铜毒
E. coli BL21(DE3)	泛醌合成	menE	O-succinylbenzoate-CoA ligase MenE	催化	上调以弥补泛醌损失
E. coli BL21(DE3)	应激响应	ycfR	stress-responsive protein YcfR	调控	上调以增加吲哚产生，抑制生物膜形成
E. coli BL21(DE3)	精氨酸分解代谢	astB	succinylarginine dihydrolase AstB	催化	与AstD共同参与精氨酸分解，回收谷氨酸
E. coli BL21(DE3)	精氨酸分解代谢	astD	succinylglutamic semialdehyde dehydrogenase AstD	催化	与AstB共同参与精氨酸分解，回收谷氨酸
E. coli BL21(DE3)	DNA代谢/异戊二烯合成	nudB	pyrophosphohydrolase NudB	催化	上调以降解有毒的DMAPP
E. coli BL21(DE3)	苯丙氨酸合成	pheA	chorismate mutase/prephenate dehydratase	催化	log2FC=1.07，上调，可能分泌苯丙氨酸抑制蓝藻
E. coli BL21(DE3)	赖氨酸合成	lysC	aspartokinase LysC	催化	log2FC=1.33，上调，可能分泌赖氨酸抑制蓝藻
E. coli BL21(DE3)	赖氨酸合成	dapB	dihydrodipicolinate reductase DapB	催化	log2FC=1.82，上调，可能分泌赖氨酸抑制蓝藻

关键发现

共培养发酵周期由100 h延长至400 h
异戊二烯产量达到0.4 g/L，较纯培养提高7倍（摘要称8倍）
最大异戊二烯产率接近0.5%。共培养中E. coli BL21(DE3)的细胞浓度高于纯培养，且蓝藻因抗生素受到的生长抑制被E. coli缓解。差异组学分析中，EC1对E1有374个差异表达基因、359个差异蛋白、正负模式共188个差异代谢物
EC2对EC1有856个差异基因、70个差异蛋白、238个差异代谢物
EC3对EC2有224个差异基因、20个差异蛋白、286个差异代谢物。机制上，蓝藻通过Fenton反应产生氧化胁迫，引起E. coli铁硫簇修复蛋白YtfE上调、鞭毛组装相关蛋白下调、核糖体上调、CusF铜外排蛋白上调等
MVA途径中间代谢物MVA和DMAPP积累，焦磷酸水解酶NudB上调以缓解DMAPP毒性
脂肪酸生物合成增强。

研究结论

本研究成功建立了产异戊二烯的蓝藻-大肠杆菌共培养体系，并通过多组学分析揭示了大肠杆菌对蓝藻的响应主要受光合作用产生的氧化胁迫驱动（通过Fenton反应）。这些变化相互关联，氧化应激缓解途径可能有助于长期发酵。该研究为理解光自养与异养微生物之间的普遍相互作用提供了科学基础，也为合理设计微生物群落和推动连续发酵模式提供了理论依据。