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微生物学学科研究方向介绍
作者:   时间:2021-04-20

团队成员:赵敏冯富娟杨洪一刘成伟张杰刘长莉汪春蕾卢磊王宏伟杨洪岩王鹏超李晓岩崔岱宗

1、重要酶的创制及通用高效表达系统构建

针对农林、环保、精细化工、制药等产业的重要化合物、具有重要应用前景的新化合物或者复杂化合物的高效和规模化生产需求,基于生物与物理、化学、信息、数学等学科交叉融合,结合计算生物学、人工智能与大数据等技术手段,解析酶蛋白的结构与功能关系,开发酶分子设计的核心算法和工具箱;进行高活性、高稳定性和良好操作鲁棒性的工业酶催化剂的设计和构建,提高工业酶催化剂的催化性能与工业属性,为新产品和新工艺提供新的可实用工业酶催化剂;开发自主知识产权清晰的真核、原核宿主系统,研究源自农林微生物的酶蛋白高效表达、细胞分泌的分子机制,开发重要农林业用酶、环保用酶、化工用酶蛋白的高效表达分子工具箱,实现蛋白表达分泌的精准调控;建立高效合成系统平台,实现多种急需大宗酶蛋白的具有自主知识产权的高效分泌表达系统,并针对大宗酶进行发酵工艺技术中试验及推广,解决农林、环保、化工等领域用酶的“卡脖子”环节;研究现代细菌细胞纳米类酶普遍合成的生态学意义,验证半导体光合作用普遍存在的假说。开发微生物合成的纳米类酶,用于医学诊疗、医学成像、生物传感等领域的技术和方法研究。

2、高效降解及糖化木质纤维素机理研究

木质纤维素酶解糖化是木质纤维素通过糖平台转化为液体燃料的关键环节。酶解转化纤维素及半纤维素时,木质素是一道天然的物理屏障,阻碍纤维素和半纤维素与酶接触,从而降低酶解效率并增加成本。利用漆酶预处理木质纤维素类生物质是极具潜力的方法。在已获得高效降解木质素漆酶基础上,着重深入研究漆酶降解活性与底物间的作用机制。通过傅光谱和色谱学手段对碱性木质素、水解木质素等不同底物降解前后进行表征;通过测定木质素的主要官能团、分子形态面貌、分子粒径大小及分散性等,分析木质素降解动态,进一步明确高效降解木质素漆酶作用机制;在已获得纤维素酶菌株及纤维酶纯品的基础上,以微晶纤维素、滤纸纤维素、木质纤维素等纤维素材料为研究对象,利用色谱、光谱手段跟踪酶解历程,剖析纤维素酶效率低的普遍原因,从微观尺度考察葡萄糖和木糖释放动力学曲线,以深入理解纤维素酶作用机理,为进一步从分子角度调控纤维素酶活性及产量奠定基础。

3、微生物与植物互作相关研究

微生物与植物互作研究方向近年来重点利用分子生态学理论对农林微生态系统中的能量流、物质流、信息流进行分析,注重学科交叉渗透,着力解决微生物与植物相互作用中关键科学问题。突出利用微生物生态学、分子生物学基础理论与技术对传统农林生产体系进行升级改造。基于资源优势及林业特色,重点研究菌根真菌、内生真菌与植物的互作机制及应用。即以东北特色资源(如蓝莓、树莓)与微生物(如菌根真菌、内生真菌)互作作为研究方向,结合微生物组学等生命科学现代研究技术,了解经济林植物共生微生物组的结构与功能多样性,揭示参与经济林植物与微生物互作的关键基因、蛋白、microRNA分子及靶基因;解析共生微生物的定殖机理。研究中通过挖掘大量菌根真菌、内生真菌等共生微生物资源,结合荧光蛋白标记等技术,解析真菌-植物共生体系的建立及功能的发挥与其他微生物、环境因子的相互作用关系;了解经济林木根部生态系统的稳定性及经济林生长发育的关键因子,探究共生微生物在植物生长发育以及对环境的适应与进化过程中的作用与意义,并为经济林的高效栽培提供理论指导。此外,也探索菌根化栽培、微生物菌剂等实用化技术的研发及应用。

4、生物多样性保护机制、长效保护策略研究

带领科研团队以生物多样性保护与可持续利用主要工作目标,进行生物多样性的保护机制、长效保护策略的研究。

(1)森林生态系统生物多样性保护的基础研究

开展东北林区森林生态系统生物多样性调查、评估与监测工作,完成了多个自然保护地的本底资源调查,形成了科考报告。依据多年的基础数据,未来会为我国的自然保护地管理体系下生物多样性保护成效提供非常重要的科学评估。关注气候变化对森林生态系统生物多样性对的影响,特别是全球气候变化背景下,土壤微生物多样性的响应机制,内容涵盖气温升高、降水变化等方面。

(2)在保护生物多样性的基础上实现资源的可持续利用

针对国有林区发展林下经济的重大战略需求,关注的关键科学问题是东北林区的经济植物资源特点、资源的潜力及综合利用的前景。已经掌握了大量的植物种质资源储量和生境本底的基础数据,对重点物种的资源进行了收集和保存。

5、天然产物生物合成途径解析与高效生产

微生物生产的天然产物(次级代谢产物)是重要的医药资源,为促进人类健康做出了巨大贡献。针对林下微生物菌群生产的具有生理活性的天然产物,解析其生物合成途径,判明酶促反应机理。探索和激活具有潜在功能的基因,挖掘新的天然产物。并且通过对代谢途径中酶的功能解析,找到或改造一些具有高效催化能力的酶,将编码这些高活性酶的基因导入异源表达宿主中,通过不同种属,不同物种间基因的整合,搭建高价值化合物的合成途径。同时,理性设计微生物代谢途径,增强目标代谢物的物质通量,开发基因表达调控工具,实现对合成途径中各基因表达水平的动态精准调控。并利用辅因子工程、生物传感器和蛋白质骨架等方式提高目标代谢物的合成水平。



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