萜類化合物是數量最多的一類植物天然產物，具有重要的醫療保健功效，在醫藥、食品、化工等領域應用廣泛。萜類化合物的傳統生產方式為植物種植提取，對野生植物資源、土壤和環境造成嚴重破壞。利用合成生物學方法構建微生物細胞工廠生產萜類化合物是一種新型的生產模式，是目前國際上的研究熱點。
類胡蘿蔔素是一類代表性的萜類化合物，包括番茄紅素、β-胡蘿蔔素、蝦青素等。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，前期在改造大腸桿菌生產類胡蘿蔔素方面有較好的研究基礎，一方面通過對中央代謝途徑的系統改造提高ATP和NADPH供給，解決萜類化合物合成途徑中輔因子不足的問題；另一方面，通過細胞膜形態和細胞膜合成的改造提高大腸桿菌的細胞膜含量，解決萜類化合物在底盤細胞中的存儲問題。
近日，張學禮研究組與中科院上海生命科學研究院植物生理生態研究所研究員楊琛合作，在萜類化合物通用前體合成途徑改造方面取得新進展。萜類化合物的通用前體合成途徑有兩條，一條是MEP途徑，另一條是MVA途徑，這兩條途徑都能提供萜類化合物最關鍵的前體代謝物異戊烯焦磷酸（IPP）。大腸桿菌自身含有MEP途徑，早期的研究發現，dxs和idi兩個基因是MEP途徑中的關鍵限速因子，然而目前對其它相關基因的研究較少，MEP途徑中是否存在其它的限速因子還不清楚。該研究系統研究了MEP途徑中其它5個基因（dxr, ispD,ispE, ispG和ispH）的表達量和β-胡蘿蔔素產量之間的相互關係。通過構建啟動子文庫分別調控這5個基因，研究細胞生長、β-胡蘿蔔素產量及代表性菌株相應基因的轉錄水平，發現ispG基因表達量與細胞生長以及β-胡蘿蔔素產量呈反比關係（見圖）。MEP途徑中間代謝物濃度測定發現IspG活性過高會導致其催化產物HMBPP積累；過表達ispG下遊的ispH基因可以避免HMBPP積累，解除生長抑制，並將β-胡蘿蔔素產量提高73%。轉錄組分析發現，HMBPP積累會導致核酸和蛋白合成相關的基因顯著下調，表明HMBPP是有毒的中間代謝物。該研究表明，ispG和ispH是MEP途徑中另一個重要的限速步驟，它們需要協同表達才能發揮作用。該研究進一步明確了MEP途徑的調控機制，對構建高產萜類化合物的細胞工廠具有普適意義。
研究工作獲得國家自然科學基金、天津市自然科學基金和天津市科技支撐計劃重點項目的支持，相關成果發表在Metabolic Engineering上。（來源：中科院上海生命科學研究院）
中間代謝物HMBPP濃度和細胞生長以及β-胡蘿蔔素產量呈反比關係
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