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北京化工袁其朋团队等首次利用大肠杆菌生产戊二酸

关键词:
来源:
iNature公众号
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https://mp.weixin.qq.com/s/Vw6Mc-OcaexWbAup0ytMyg
类型:
前沿资讯
语种:
中文
原文发布日期:
2019-07-31
摘要:
二羧酸是制造聚酯和聚酰胺的重要结构单元。由于对石油供应和环境保护的关注,人们越来越关注开发这些化学品的绿色和可持续途径。生物合成代表了一种很有前景的选择。目前,琥珀酸的生物生产已经足够成熟,可用于商业应用,重组谷氨酸棒杆菌的葡萄糖滴度达到152.2g/L-1。最近,通过逆转β-氧化途径实现了高滴度(68 g/L-1)和产率(0.38 g/g-1)的己二酸的生产。戊二酸是另一种重要的二羧酸,用于制造聚合物。脂肪族二羧酸中戊二酸的最低熔点可赋予所得聚合物独特的性能。此外,戊二酸是1,5-戊二醇的合成前体,一种常见的增塑剂和聚酯的前体。大肠杆菌是代谢工程的另一种常用宿主。然而,在过量产生赖氨酸的大肠杆菌菌株中重建AMV途径在摇瓶中仅产生0.82 g/L-1戊二酸,占理论产率的9.1%(0.75 mol/mol-1葡萄糖)。可能的原因是(1)途径具有阻止碳通量到达最终产物的未解决的限制因素和(2)下游途径的引入扰乱了现有的代谢平衡。研究人员通过调节自身的基因,将大肠杆菌为有效的戊二酸生产者。从草酰乙酸中,完整途径涉及15个酶促步骤,这代表了实现增强和平衡表达的巨大挑战。驱动力对于目标化合物的有效生物合成是必不可少的。它们可以作为推动(例如,增加前体供应),拉动(例如,流出或除去最终产物)或内部循环泵(例如,氧化还原平衡)存在。在厌氧条件下,NADH经常用作内部循环泵,用于生产乳酸盐,琥珀酸盐,乙醇和1-丁醇。在有氧条件下,过度表达关键途径酶常被用作驱动力。然而,对于长途径,多基因的过度表达经常导致代谢负担,并且需要通过多变量模块优化等策略进行仔细平衡。在分析了戊二酸生物合成途径后,研究人员发现可以利用至少三种不同的驱动力(谷氨酸的再循环,氧化还原能力的再循环和反馈抑制的释放)来连续推动碳通量通过目标途径。大肠杆菌尸胺途径涉及一次脱羧(CadA),两次转氨(PatA和GabT)和两次脱氢反应(PatD和GabD)。虽然它比AMV途径长一步,但是尸胺途径不需要分子氧的参与,这有利于大规模培养。此外,每消耗赖氨酸,转氨反应产生两个谷氨酸,脱氢酶分别产生两个NAD(P)H。有趣的是,从草酰乙酸开始,赖氨酸生物合成途径消耗两个谷氨酸和两个NAD(P)H以产生一个赖氨酸。因此,赖氨酸分解代谢可以补充谷氨酸和NAD(P)H用于赖氨酸生物合成。
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