青岛农业大学邓阳教授和江南大学陈坚院士团队联合利用谷氨酸棒状杆菌全细胞催化高效合成肌酸
Synthetic and Systems Biotechnology
●近日，合成生物学领域国际权威期刊Synthetic and Systems Biotechnology在线发表了青岛农业大学邓阳教授课题组与江南大学陈坚院士、刘延峰教授团队联合完成的研究成果“Efficient Biosynthesis of Creatine by Whole-Cell Catalysis from Guanidinoacetic Acid in Corynebacterium glutamicum”。青岛农业大学与江南大学联合培养的2020级硕士研究生李春剑和青岛农业大学特种食品研究院孙鹏东实验师为论文共同第一作者，陈坚院士和邓阳教授为共同通讯作者。 成果介绍 在哺乳动物体内，肌酸发挥着维持细胞ATP水平的关键作用，它能够有效增强运动能力、增加肌肉力量和体积，并有助于消除疲劳，因此被广泛应用于功能食品和医药等领域。然而，当前传统的肌酸生产制备方法主要依赖于化学法，存在安全风险大、反应时间长、操作过程复杂、产品纯度不高等的不足。此外，通过化学合成法生产的肌酸往往带有苦味等不良味道，需要经过除苦剂处理，进一步增加了后处理的复杂性，并导致收获率只有50%。为了解决上述问题，本研究提出了一种全新的生物合成方法，使用被公认安全（GRAS）的谷氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicum）进行全细胞催化生产食品级肌酸。
本研究首先向C. glutamicum ATCC 13032中引入了直接参与肌酸合成的胍基乙酸-N-甲基转移酶（GAMT）编码基因，即分别来自Antrostomus carolinensis（chuck-will's-widow）和Mus caroli（Ryukyu mouse）的gamt基因，由此分别可获得2.82 g/L和3.37 g/L肌酸。再者，采用启动子筛选策略，筛选C. glutamicum的天然强启动子以提高GAMT的表达。其中，使用P1676启动子可获得最高产量肌酸（4.14 g/L）。此外，进一步通过优化了C. glutamicum的全细胞催化条件，获得最佳生产工艺，即底物浓度为20 g/L的胍基乙酸、15 g/L的甲硫氨酸，反应温度为30℃，摇动速度为220 rpm，pH值为8.0时，反应24 h，最终可获得5.42 g/L的肌酸产量。综上，本研究使用全细胞催化法生产肌酸，具有生产效率高、回收率高、下游处理简单等优点，提供了一种更为绿色、环保、安全的肌酸生产方法。
上述研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、青岛市科技计划重点研发专项等科研项目的资助。
成果介绍
在哺乳动物体内，肌酸发挥着维持细胞ATP水平的关键作用，它能够有效增强运动能力、增加肌肉力量和体积，并有助于消除疲劳，因此被广泛应用于功能食品和医药等领域。然而，当前传统的肌酸生产制备方法主要依赖于化学法，存在安全风险大、反应时间长、操作过程复杂、产品纯度不高等的不足。此外，通过化学合成法生产的肌酸往往带有苦味等不良味道，需要经过除苦剂处理，进一步增加了后处理的复杂性，并导致收获率只有50%。为了解决上述问题，本研究提出了一种全新的生物合成方法，使用被公认安全（GRAS）的谷氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicum）进行全细胞催化生产食品级肌酸。 本研究首先向C. glutamicum ATCC 13032中引入了直接参与肌酸合成的胍基乙酸-N-甲基转移酶（GAMT）编码基因，即分别来自Antrostomus carolinensis（chuck-will's-widow）和Mus caroli（Ryukyu mouse）的gamt基因，由此分别可获得2.82 g/L和3.37 g/L肌酸。再者，采用启动子筛选策略，筛选C. glutamicum的天然强启动子以提高GAMT的表达。其中，使用P1676启动子可获得最高产量肌酸（4.14 g/L）。此外，进一步通过优化了C. glutamicum的全细胞催化条件，获得最佳生产工艺，即底物浓度为20 g/L的胍基乙酸、15 g/L的甲硫氨酸，反应温度为30℃，摇动速度为220 rpm，pH值为8.0时，反应24 h，最终可获得5.42 g/L的肌酸产量。综上，本研究使用全细胞催化法生产肌酸，具有生产效率高、回收率高、下游处理简单等优点，提供了一种更为绿色、环保、安全的肌酸生产方法。 上述研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、青岛市科技计划重点研发专项等科研项目的资助。
图1 利用谷氨酸棒状杆菌全细胞催化高效合成肌酸
专家/团队介绍
陈坚，中国工程院院士，江南大学未来食品科学中心教授、首席科学家。兼任国务院学位委员会轻工技术与工程学科评议组召集人、教育部科技委农林学部常务副主任、中国生物工程学会副理事长、粮食发酵与食品生物制造国家工程研究中心首席科学家。以第一完成人获国家技术发明奖二等奖2项、国家科技进步奖二等奖1项，部省级自然科学、技术发明、科技进步一等奖6项，何梁何利基金科学与技术创新奖，中国专利奖金奖；国家“973”项目首席科学家、国家杰出青年基金获得者、国家高层次人才特殊支持计划领军人才；全国百篇优秀博士学位论文指导教师；全国五一劳动奖章获得者；全国高校黄大年式教师团队负责人。
并列通讯作者简介： 邓阳，博士，青岛农业大学教授、特种食品营养与创制山东省工程研究中心副主任、青岛特种食品研究院科研处处长。获青岛市城阳区创新创业领军人才称号，入选青岛农业大学第一批优秀人才“特支计划”骨干人才；兼任Frontiers in Microbiology客座编辑、全国酿酒标准化技术委员会委员、国家自然科学基金评审专家。长期从事微生物新资源食品制造及质量调控的应用基础研究。近年来，主持国家自然科学基金（2项），山东省自然科学基金、中国博士后科学基金特别资助、中国博士后科学基金面上项目（2项）、科技部国家外国专家项目等12项科研立项。以第一或通讯作者发表SCI收录论文23篇，EI收录论文6篇；获授权国家发明专利5项。 第一作者简介： 李春剑，男，硕士，毕业于青岛农业大学食品加工与安全专业，主要研究方向为食品微生物与生物技术。参与国家自然科学基金、青岛市科技计划重点研发专项等多项科研项目，在国内外期刊公开发表学术论文2篇，其中以第一作者发表SCI收录论文1篇，申请国家发明专利1件。
“绿色生态农业论坛”暨国家现代农业与···
芯片育种公司双绿源获隆平生物数千万元···
祝贺！联盟成员周俭民研究员获2023···
华中农大张启发院士/南京农大万建民院···
祝贺！联盟成员董莎萌教授
联盟秘书长张兴平博士在第七届国际瓜类···