甘油產丁二酸細胞工廠研究取得進展

2021-01-07 騰訊網

丁二酸可用於1,4-丁二醇、四氫呋喃、γ-丁內酯及PBS可降解塑料的合成，在化工、材料、醫藥、食品領域有著廣泛的用途，被美國能源部列為未來12種最有價值的平臺化合物之一。構建高效生產丁二酸的微生物細胞工廠，將可再生的生物質資源高效轉化為丁二酸，是近年來國際上的研究熱點。甘油作為高還原力的碳源，在生產丁二酸等需要較多還原力的產物時具有較大優勢。但是，目前代謝工程改造微生物以甘油為底物生產丁二酸仍具挑戰性，厭氧條件下丁二酸的產量和生產速率非常低。

中國科學院天津工業生物技術研究所研究員張學禮帶領的微生物代謝工程研究團隊通過對厭氧甘油代謝途徑的理性分析，推測大腸桿菌原有的兩條甘油厭氧代謝途徑分別存在著缺乏丁二酸合成的重要前體磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和能量供應不足的問題。團隊通過基因編輯手段，將大腸桿菌中原有的兩條甘油代謝途徑失活，並使用來自克雷伯氏菌的ATP依賴型二羥基丙酮激酶替代了大腸桿菌原有的PEP依賴型二羥基丙酮激酶，從而在大腸桿菌中構建了一條新的甘油厭氧代謝途徑。新的甘油代謝途徑既不消耗PEP用於二羥基丙酮的磷酸化，又能額外產生質子動力勢為細胞生長和丁二酸外排提供能量。使用這條節能的甘油代謝途徑後，丁二酸產量、比生產速率和胞內ATP含量分別增加了282%、63%和338%。在厭氧條件下，96小時內可生產483 mM丁二酸，轉化率達到理論最大轉化率的92%，比生產速率是迄今為止甘油生產丁二酸的最高水平。該研究表明，能量供給是甘油厭氧發酵生產丁二酸的關鍵調控因素，通過產生質子動力勢提高能量供給能顯著提高甘油厭氧產丁二酸的合成效率。該研究為利用甘油為原料發酵生產丁二酸奠定了技術基礎。

該研究得到國家重點研發計劃合成生物學重點專項和國家自然科學基金的支持，相關研究成果發表在Metabolic Engineering上，天津工生所博士研究生於勇為論文的第一作者，張學禮為論文的通訊作者。

設計新的甘油厭氧合成丁二酸途徑產生質子動力勢提高能量供給

來源：中國科學院天津工業生物技術研究所

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