青島能源所提出利用微生物合成萜烯化合物和芳香族化合物的代謝...

2020-12-02 中國科學院

　　萜烯化合物和芳香族化合物是兩種種類非常豐富的天然產物，廣泛應用於材料、能源、醫藥和食品等領域。以可再生糖為原料，通過代謝工程策略，以微生物細胞工廠合成這兩種化合物，產品附加值高，是當前生物化工領域的研究重點。但是，這些化合物的微生物合成都受一些共性問題的限制，如前體和輔因子供應不足、代謝途徑過長、代謝支路幹擾和產物毒性強等問題。

　　多年來，中國科學院青島生物能源與過程研究所生物基材料組群精細化學品研究組致力於多種萜烯化合物和芳香族化合物的微生物合成，包括蒎烯、法尼烯、檜烯、異戊二烯等，以及苯乙烯和苯乙醇等，對於解決上述微生物合成中面臨的共性問題積累了豐富的經驗，總結提出了較為全面的解決策略，受到國內外同行的廣泛關注。

　　在微生物中，代謝途徑的前體往往參與多個重要的代謝途徑，例如萜烯化合物合成的前體乙醯輔酶A，因此其供應的問題一直是生物化工領域的熱點。該研究組總結了多種解決策略，包括減弱與副產物合成相關酶的表達、增強逆反應酶的表達以將副產物催化合成為前體、引入新型的前體合成途徑、改變碳源、改變前體等代謝工程策略。另外，輔因子供應，包括ATP和NADPH，也是重要問題。該研究組總結了在大腸桿菌中NADPH合成的三個途徑，戊糖磷酸途徑、TCA循環和NADH的轉化，因此過表達戊糖磷酸途徑的Zwf1、TCA循環的sucAB、gltA和sdhABCD，和催化NADH轉化為NADPH的Pos5是提高NADPH合成的三種策略。同理，ATP由ADP轉化獲得，過表達相關基因能夠提高ATP的合成。另外，萜烯化合物和芳香族化合物合成的代謝途徑過長，導致毒性中間代謝產物累積、細胞代謝負荷重、細胞生長受影響和代謝不平衡等問題。該研究組基於前期工作，提出了多種針對代謝途徑過長的解決策略，包括代謝途徑的模塊化研究、外源基因的染色體整合表達和代謝途徑的動態調控等。由於細胞內環境複雜，而且很多萜烯化合物和芳香族化合物也是細胞生長所必需的化合物，因此消耗代謝途徑的中間產物或終產物的代謝支路也是面臨的重要問題。該研究組總結了多種解決代謝支路的策略，包括支路關鍵基因的敲除、弱啟動子或RNA幹擾降低表達、動態調控關鍵基因的表達、酶抑制劑和基因振蕩器等。另外產物在細胞中大量累積，其毒性也是微生物合成面臨的重要共性問題。該研究組總結提出了多種解決策略，包括選擇無細胞合成體系或者抗毒性宿主，過表達轉運蛋白以將毒性產物排出細胞，將毒性產物轉化為無毒性產物。

　　基於以上總結和研究，該研究組近期應邀在天然產物領域綜述期刊Natural Product Reports（《天然產物報告》）發表題為Recent advances of metabolic engineering strategies in natural isoprenoid production using cell factories 的綜述文章，對近三年內通過微生物細胞產萜烯化合物的代謝工程策略進行總結和展望。同時，在《生物加工過程》發表題為《甲羥戊酸途徑的代謝支路調控策略的研究進展》的中文綜述文章，針對甲羥戊酸途徑的代謝支路的代謝工程策略進行總結和展望。另外，近期應邀在生物技術領域綜述期刊Biotechnology Advances 發表了題為Common problems associated with the microbial productions of aromatic compounds and corresponding metabolic engineering strategies 的綜述文章，對微生物合成芳香族化合物所面臨的主要共性問題和對應的代謝工程策略進行總結和展望。

　　以上綜述文章以及相關研究獲得國家自然科學基金、中科院青年創新促進會和海南省重點研發計劃等資助。

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圖1 萜烯化合物和芳香族化合物的代謝途徑

圖2 代謝工程策略（以萜烯化合物的合成為例）

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