生物合成催化剂:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1096717621001750

  在生物燃料市场快速增长的同时,作为副产品产生的甘油也越来越多,占生物柴油产品总量的近10%(v/v)。过量甘油导致甘油的市场成本大幅降低,使其成为经济上有吸引力的碳原料。由于部分微生物可利用甘油作为唯一碳源,许多研究都集中在微生物将这种可再生的原料转化为附加值产品上,大肠杆菌W(Escherichia coli W)是众多利用甘油作为唯一碳源的微生物之一,也是一种新兴的工业化生产菌株,然而目前还缺乏优化方案将这种可再生的原料转化为附加值产品上。γ-氨基丁酸因其在医药、食品添加剂和生物可降解聚合物的合成中的多功能作用而引起人们的极大兴趣。

  近期,韩国东国大学Byung-Kwan Cho和Taek Jin Kang等人在Metabolic Engineering发表研究论文“Adaptive laboratory evolution of Escherichia coli W enhances gamma-aminobutyric acid production using glycerol as the carbon source”。课题组采用实验室适应性进化(adaptive laboratory evolution,ALE),构建了一株生长快速,GABA 产量提高且以甘油为碳源的大肠杆菌菌株。之前已有研究表明,大肠杆菌在微量甘油培养基中适应性不是最佳。因此课题组在含有含有2%甘油的培养基中适应性进化了大肠杆菌W 1300代,最终分离出生长最快的克隆CY02,CY02在微量甘油培养基中的比生长速率比野生型提高了近40%,与亲本菌株在最低糖培养基中的比生长速率相近。为了找出使适应性改善的关键突变位点,课题组对CY02进行全基因组测序,并且发现了一个重要的突变glpkm。通过测试发现glpkm突变介导甘油内流引起细胞内cAMP水平自动调节,致使菌株的比甘油摄取率大大提高。由于野生型L-谷氨酸脱羧酶的最适pH过低,课题组在菌株中引入了谷氨酸脱羧酶的突变体mtGAD。为了测试野生型和CY02中γ-氨基丁酸的生产滴度,课题组发现野生型的最大滴度和生产力分别为0.15±0.01g/L和0.03±0.01g/L/hr,而适应性进化后两者均增加了近 2.6倍(0.39±0.03 g/L和0.08±0.01 g/L/hr)。尽管γ-氨基丁酸产量有所增加,但是CY02同时产生了过量的醋酸盐,课题组通过敲除醋酸激酶ackA阻止醋酸的产生、敲除甲基乙二醛合成酶mgsA避免甲基乙二醛的积累、敲除4-氨基丁酸转氨酶gabT减少乳酸对映体产生,将代谢流重新引导到γ-氨基丁酸的生产上,最终的GABA滴度和比生产率分别比野生型提高了3.9倍和4.3倍。

 总的来说,课题组将进化和代谢工程结合改善了大肠杆菌W以甘油产γ-氨基丁酸。

(王利钰 摘译)


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