原文链接：An Engineered Microbial Consortium Provides Precursors for Fengycin Production by Bacillus subtilis | Journal of Natural Products (acs.org)

Abstract

Fengycin has great potential for applications in biological control because of its biosafety and degradability. In this study, the addition of exogenous precursors increased fengycin production by Bacillus subtilis. Corynebacterium glutamicum was engineered to produce high levels of precursors (Thr, Pro, Val, and Ile) to promote the biosynthesis of fengycin. Furthermore, recombinant C. glutamicum and Yarrowia lipolytica providing amino acid and fatty acid precursors were co-cultured to improve fengycin production by B. subtilis in a three-strain artificial consortium, in which fengycin production was 2100 mg·L–1. In addition, fengycin production by the consortium in a 5 L bioreactor reached 3290 mg·L–1. Fengycin had a significant antifungal effect on Rhizoctonia solani, which illustrates its potential as a food preservative. Taken together, this work provides a new strategy for improving fengycin production by a microbial consortium and metabolic engineering.

摘要

由于其生物安全性和可降解性，丰原素在生物防治方面具有巨大的应用潜力。在这项研究中，添加外源前体提高了枯草芽孢杆菌的丰原素产量。谷氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicum）经改造后可产生高水平的前体（Thr、Pro、Val 和 Ile），从而促进丰原素的生物合成。此外，在三菌株人工联合体中，重组谷氨酸棒状杆菌与提供氨基酸和脂肪酸前体的解脂耶氏酵母共同培养，提高枯草杆菌的丰原素产量为 2100 mg-L-1。此外，在 5 升生物反应器中，联合菌株的丰原素产量达到 3290 mg-L-1。丰原素对立枯丝核菌有明显的抗真菌作用，这说明丰原素具有作为食品防腐剂的潜力。总之，这项工作为利用微生物联合体和代谢工程提高丰原素产量提供了一种新策略。

图 1. 丰原素结构前体的外源添加。(A) 外源添加丰原素结构氨基酸和长链脂肪酸的示意图。(B) 外源前体对枯草芽孢杆菌 CGF26-IV 产生丰原素的影响；Mix1 是苏氨酸、脯氨酸、缬氨酸和异亮氨酸的混合物；Mix2 是 Mix1 和 C16 脂肪酸的混合物。*p < 0.05, ***p < 0.001.

图 2. 重组谷氨酸棒杆菌的改造和发酵。(A）丰原素结构所涉及氨基酸的代谢途径。(B) 基因敲除的双交换重组机制。(C) 基因修饰对谷氨酸棒杆菌代谢途径 I 中氨基酸生产的影响。(D) 基因修饰对谷氨酸球菌代谢途径 II 氨基酸产量的影响。(E）cgb-7、cgb-10 和 cgb-11 菌株在 CA 和 cal18 培养基中氨基酸含量的变化。

图 3. 不同培养基对氨基酸和丰原素产量的影响。

(A) 纯培养条件下谷氨酸棒杆菌 cgb-11 的氨基酸产量。

(B) 纯培养条件下枯草芽孢杆菌 CGF26-IV 的丰原素产量。

(C) 与谷氨酸棒杆菌cgb-11 共同培养下枯草芽孢杆菌 CGF26-IV 的氨基酸产量。

(D) 与谷氨酸棒杆菌cgb-11 共培养下枯草芽孢杆菌 CGF26-IV 产生的丰原素。

图 4. 枯草芽孢杆菌 CGF26-IV 和谷氨酸棒状杆菌 cgb-11 人工菌群的构建。

 (A) B. subtilis CGF26-IV 和 C. glutamicum cgb-11 人工菌群示意图。

(B1) 接种枯草芽孢杆菌 CGF26-IV 的时间对 TSAC-I 生物量的影响。

(B2）接种比例对 TSAC-I 生物量的影响。

(C1）TSAC-I 中枯草芽孢杆菌 CGF26-IV 接种时间对丰原素产量的影响。

(C2) 接种比例对 TSAC-I 中丰原素产量的影响。**p < 0.01， ***p < 0.001。

图 5. 枯草芽孢杆菌 CGF26-IV 和解脂耶氏酵母YL-21 人工菌群的构建。

(A) 枯草芽孢杆菌 CGF26-IV 与 解脂耶氏酵母YL-21 共同培养的示意图。

(B1) 接种枯草芽孢杆菌 CGF26-IV 的时间对 TSAC-II 生物量的影响。

(B2）接种比例对 TSAC-II 生物量的影响。

(C1）TSAC-II 中枯草芽孢杆菌 CGF26-IV 接种时间对丰原素产量的影响。

(C2) 接种比率对 TSAC-II 中丰原素产量的影响。**p < 0.01， ***p < 0.001。

图 6. 枯草芽孢杆菌CGF26-IV、谷氨酸棒杆菌cgb-11 和解脂耶氏酵母YL-21 组成的三菌株人工菌群（TSAC-III）的构建。

(A1) TSAC-III 的示意图。

(B1) 解脂耶氏酵母YL-21 的接种比例对 TSAC-III 摇瓶中生物量的影响；菌株 cgb-11: CGF26-IV 的初始接种量 = 0.6:0.2。

(C1) 接种比例对 TSAC-III 摇瓶中丰原素产量的影响。

(A2）菌株 CGF26-IV（d1）、TSAC-I（d2）和 TSAC-III（d3）在 5 L 生物反应器中的纯培养图片。

(B2) 5 L 生物反应器中纯培养物、TSAC-I 和 TSAC-III 的生物量变化。

(C2）在 5 L 生物反应器中，纯培养、TSAC-I 和 TSAC-III 条件下丰原素产量的变化。*p < 0.05.

表1  本研究所用的菌株                                                表2 本研究所用的质粒