基于能量ATP调控的生物系统催化的研究及应用-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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基于能量ATP调控的生物系统催化的研究及应用

项目名称：基于能量ATP调控的生物系统催化的研究及应用
项目类别：国家杰出青年科学基金
批准号：21025625
申请代码：B0608
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2011-01-01-2014-12-31

项目负责人：应汉杰
依托单位：南京工业大学
批准年度：2010

中文摘要：

在生物磷酸化反应的研究过程中，发现能量ATP的调控可以为实现特定的工业技术目标提供一个强大的工具来大幅度提高生物催化的效率。开展了ATP paradox与糖酵解的相互作用规律的研究，创建了可调控的能量ATP的高效再生体系；发现能量ATP等辅因子对物质代谢的交互影响，研究了其作用机制，创建了工业环境下的能量ATP的高效再生和耦联体系；建立了基于能量ATP等辅因子调控的工业应用体系，显著提高了能量供体葡萄糖的利用效率（2－10倍）和产物的合成效率（1.3－15倍）。形成了"从工程研究中提炼科学问题，基础研究解决关键技术"的研究特色以及"研究－专利－工程－论文"的成果展示方式。申请专利41项，授权18项；累计销售额39.6亿元，利税12.0亿元；共计发表论文92篇，其中SCI28篇、EI32篇。获国家科学技术发明奖二等奖（1）和3个省部级奖，入选国家百千万人才工程和全国优秀教师等。

中文主题词：三磷酸腺苷；尼克酰腺嘌呤二核苷酸；生物丁醇；环磷酸腺苷；核苷酸

英文摘要：

ATP；NADH；biobutanol；cAMP；nucleotide

英文主题词： ATP；NADH；biobutanol；cAMP；nucleotide

结论摘要：

生物催化与转化是化学品生物制造替代的核心，然而不少生物催化体系存在低转化率、低反应速率与低产率的“三低”问题，成为制约生物制造大规模推广应用的瓶颈。能量ATP和辅酶NAD(P)H等辅因子以其特有的角色和功能参与了生物催化剂几乎所有的代谢途径和生命活动，是提高生物制造原子经济性与时空高效性的重要手段之一。本项目围绕课题计划重点开展了基于能量ATP等辅因子的生物催化剂的构建与调控研究(1)运用比对基因组学等方法，揭示了辅因子对细胞生长和RNA积累的作用机制，通过表达转氢酶等手段满足了细胞生长对不同类型辅因子的差异性需求，首次实现了高核酸酵母的连续化培养，建成了国际上技术最先进、规模最大的一条酵母--核糖核酸--五种核苷酸的生产线，显著促进了我国婴幼儿奶粉往母乳化发展的进程，成果获江苏省科学技术一等奖；(2)运用生物组学技术与辅因子平衡原理，阐明了辅因子操控代谢流的分子基础，通过基因重组等手段对辅因子与碳物质代谢进行了适配优化，实现了乙醇、丁醇发酵中碳代谢流的定向迁移，树立了大宗化学品与高值化学品联产的范式；生物法合成cAMP的产量大幅提高，成本仅为化学法的1/20，实现了该技术的产业化；(3)开展了ATP与糖酵解及产物合成的相互作用机制研究，建立了底物水平磷酸化调控ATP的策略，通过多酶串联表达构建了ATP和辅酶再生体系，实现了辅因子驱动下CDPC和(S)-CHBE等化学品的高效酶促合成，CDPC得率和浓度均优于目前报道的最高水平；(4)在分子层面理性设计、改造人工辅因子，构建生物催化与化学催化协同的辅因子再生体系，研究再生过程中多酶催化与有机小分子催化的集成与协同效应，为人工辅因子调控过程的优化与强化开辟新策略和新手段。本研究深化了人们对辅因子在细胞生长、代谢、酶催化过程中的作用的认识，为工业环境下通过辅因子的操控解决 “三低”所导致的能耗高、物耗高、排放大等问题提供了理论基础和实现方法，推动了一些典型工业产品的生物制造。共发表论文50篇，其中Metabolic Engineering等SCI一区期刊论文8篇；申请发明专利36项，其中已授权16项；完成了酵母制备核苷酸和生物法生产cAMP两个项目的产业化；入选教育部长江学者、组织部万人计划、科技部科技创新领军人才等计划，获得教育部技术发明二等奖等奖1项，江苏省科学技术一等奖1项。研究成果达到预期考核指标。

成果综合统计