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天津工生所丁二酸细胞工厂构建及高效合成机制解析获进展

来源:天津工业生物技术研究所 日期: 2014年05月26日

 

丁二酸是一种优秀的平台化合物,在化工、材料、医药、食品领域有着广泛的用途,被美国能源部列为未来12种最有价值的平台化合物之一。作为C4平台化合物,其可用于合成1,4-丁二醇、四氢呋喃、γ-丁内酯以及生物可降解材料聚丁二酸丁二醇酯(PBS)。构建高效生产丁二酸的微生物细胞工厂,将可再生的生物质资源高效转化为丁二酸,是近年来国际上的研究热点。

中国科学院天津工业生物技术研究所的张学礼研究员课题组结合理性遗传改造和进化代谢技术,构建出高效生产丁二酸的大肠杆菌细胞工厂HX024,糖酸转化率达1.36 mol/mol,为理论最大转化率的80%。在此基础上,通过全基因组测序、转录组分析及酶活分析,解析了细胞工厂HX024高产丁二酸的分子机制。研究发现丙酮酸脱氢酶PDH的E3编码基因lpdA发生突变,突变的lpdA基因导致酶活比野生型提高了26倍,解除了NADH对PDH酶活的抑制,从而为厌氧合成丁二酸途径提供更多的还原力。另一方面,丁二酸合成途径中9个功能模块的18个基因的表达水平发生了显著变化。其中,磷酸戊糖途径、转氢酶和丙酮酸脱氢酶的激活提高了细胞的还原力供给,从而提高了丁二酸的糖酸转化率。葡萄糖利用、PEP羧化、还原型TCA和丁二酸转运模块的激活提高了丁二酸的生产速率。

在此基础上,使用反向代谢工程技术,在出发菌株中激活磷酸戊糖途径、转氢酶和丙酮酸脱氢酶,将丁二酸的糖酸转化率从1.12提高到1.5 mol/mol(理论最大转化率的88%),进一步证明了这三个模块的激活是导致丁二酸糖酸转化率提升的关键,并在国际上首次提出了以NADPH为还原力的丁二酸合成新途径。

相关研究成果申请了2项PCT专利(PCT/CN2014/078284;PCT/CN2014/078265),并发表在Metabolic Engineeing期刊上,天津工生所的朱欣娜博士和博士研究生谭在高为论文的共同第一作者。  

该研究得到国家“973”计划、“863”计划、自然科学基金和中科院知识创新工程的支持。