谷氨酸棒狀桿菌（Corynebacterium glutamicum），是重要的工業(yè)微生物之一，被廣泛應(yīng)用于氨基酸、有機(jī)酸、維生素和生物能源等的工業(yè)化生產(chǎn)。作為工業(yè)生產(chǎn)菌種，谷氨酸棒桿菌具有耐受高強(qiáng)度發(fā)酵的魯棒性、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。該菌的基因組測(cè)序已完成，遺傳操作系統(tǒng)正在被不斷地完善。目前，谷氨酸棒桿菌的代謝工程改造主要集中在解除反饋抑制、減弱競(jìng)爭(zhēng)途徑、增強(qiáng)目標(biāo)產(chǎn)物合成途徑代謝通量、提高細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)能力等方面，這些策略往往不能獲得預(yù)期的代謝通量改變的效果，其原因在于缺乏對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控和表達(dá)調(diào)控的理解。

基因組規(guī)模代謝網(wǎng)絡(luò)模型（Genome-scale metabolic model，GEM），包含細(xì)胞內(nèi)部發(fā)生的全部已知的生化反應(yīng)，從細(xì)胞整體水平研究各組成部分之間的相互作用關(guān)系，分析代謝網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能，從全局規(guī)模上深刻認(rèn)識(shí)和理解細(xì)胞內(nèi)的調(diào)控機(jī)制，并能夠指導(dǎo)高效、定向調(diào)控微生物代謝網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)特定的生理功能。因此，亟需建立一個(gè)谷氨酸棒桿菌的基因組規(guī)模代謝網(wǎng)絡(luò)模型，利用計(jì)算機(jī)模擬、定量分析代謝通量以及定性分析細(xì)胞生長(zhǎng)表型，指導(dǎo)設(shè)計(jì)目的產(chǎn)物的代謝工程改造。

中國科學(xué)院微生物研究所溫廷益研究組與北京化工大學(xué)譚天偉研究組合作建立了一個(gè)新的谷氨酸棒桿菌的基因組規(guī)模代謝網(wǎng)絡(luò)模型iCW773，其中包含了773個(gè)基因，950個(gè)代謝產(chǎn)物和1207個(gè)生化反應(yīng)。通過精煉集成反應(yīng)，平衡反應(yīng)式中代謝物的電荷和質(zhì)量，利用吉布斯自由能ΔrG'限定反應(yīng)方向，該網(wǎng)絡(luò)模型能夠準(zhǔn)確模擬預(yù)測(cè)谷氨酸棒桿菌利用不同碳源生長(zhǎng)的比生長(zhǎng)速率和在以葡萄糖為唯一碳源生長(zhǎng)的胞內(nèi)代謝通量分布；利用OptForcemust算法，分析比較了野生型和高產(chǎn)l-賴氨酸、l-纈氨酸和l-絲氨酸工程菌之間各個(gè)網(wǎng)絡(luò)代謝節(jié)點(diǎn)的代謝通量區(qū)間的重合度，所獲得的代謝工程改造靶點(diǎn)及其改造方式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致；通過添加異源合成途徑，建立了谷氨酸棒桿菌合成1，2-丙二醇和異丁醇的代謝網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)了有利于1，2-丙二醇和異丁醇合成的新的代謝改造靶點(diǎn)，證明了iCW773用于目標(biāo)產(chǎn)物的代謝網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的實(shí)用性；最后通過干濕法結(jié)合，從頭設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一株l-脯氨酸工程菌，通過發(fā)酵罐連續(xù)補(bǔ)料發(fā)酵，工程菌的l-脯氨酸產(chǎn)量達(dá)到66.43 g/L，糖酸轉(zhuǎn)化率0.26 g/g，生產(chǎn)強(qiáng)度1.11 g/L/h，是目前已報(bào)道的在以葡萄糖為唯一碳源的基本培養(yǎng)基中發(fā)酵生產(chǎn)l-脯氨酸的最高轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)強(qiáng)度。

該研究所構(gòu)建的基因組規(guī)模代謝網(wǎng)絡(luò)模型能夠提供一個(gè)高效的研究預(yù)測(cè)平臺(tái)，有利于在系統(tǒng)生物學(xué)水平加深對(duì)谷氨酸棒桿菌的代謝網(wǎng)絡(luò)的理解，為利用該菌作為細(xì)胞工廠合成具有不同代謝途徑化合物提供了一種高效的技術(shù)工具，并為一些生物基化學(xué)品的人工合成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)改造奠定了研究基礎(chǔ)。

該研究已于6月30日正式發(fā)表在Biotechnology for Biofuels，微生物所博士生張宇為該文的第一作者，北京化工大學(xué)生科院博士生蔡敬一和中國工程院院士譚天偉為共同作者，副研究員張蕓與研究員溫廷益為共同通訊作者。該研究得到國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）（2014AA021203）、中科院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃（STS計(jì)劃）（KFJ-STS-QYZD-047和KFJ-EW-STS-078）和國家自然科學(xué)基金（31570074、21390202和21436002）的資助