北理工課題組在動態(tài)調(diào)控高級醇高效合成方面取得重要進展
發(fā)布日期：2024-04-22 供稿：生命學(xué)院 攝影：生命學(xué)院
編輯：肖雯 審核：周連景 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)霍毅欣教授團隊在動態(tài)調(diào)控高級醇持續(xù)高水平生產(chǎn)方面取得重要進展,。相關(guān)研究成果以“Concentration Recognition-Based Auto-Dynamic Regulation System (CRUISE) Enabling Efficient Production of Higher Alcohols”為題發(fā)表在頂級期刊《Advanced Science》（影響因子：15.1）,。該工作以北京理工大學(xué)為第一通訊單位,，研究員陳振婭和博士生于盛竹為共同第一作者，霍毅欣教授為通訊作者。
合成生物學(xué)通過設(shè)計代謝途徑,，能夠?qū)⒘畠r的原料通過微生物細胞轉(zhuǎn)化為重要的高附加值化合物,，實現(xiàn)低成本的綠色生物合成。傳統(tǒng)的代謝工程改造提高目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量的方式包括途徑基因的過表達,、敲除或抑制等,，然而這種策略往往會造成細胞的代謝失衡、有毒中間產(chǎn)物堆積以及生長受損等現(xiàn)象,。動態(tài)調(diào)控可以通過構(gòu)建響應(yīng)特定信號分子的基因回路,，在恰當(dāng)?shù)墓?jié)點調(diào)節(jié)基因表達水平，從而實現(xiàn)對目標(biāo)途徑的代謝調(diào)控,?；诖耍瑘F隊在大腸桿菌中建立了響應(yīng)胞內(nèi)關(guān)鍵代謝物濃度的動態(tài)調(diào)控系統(tǒng),，形成一種 “生長驅(qū)動生產(chǎn),，生產(chǎn)驅(qū)動再生長，再生長驅(qū)動再生產(chǎn)”的循環(huán)調(diào)控模式,。通過偶聯(lián)響應(yīng)氨基酸的 ivbL 轉(zhuǎn)錄衰減元件以及響應(yīng)高級醇的BmoR轉(zhuǎn)錄激活元件,，實現(xiàn)生長相關(guān)前體物的持續(xù)供應(yīng)以及高級醇的持續(xù)高水平生產(chǎn)（圖1）。
圖1 CRUISE動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計及相應(yīng)的異丁醇產(chǎn)量
目標(biāo)產(chǎn)物異丁醇和異戊醇結(jié)構(gòu)十分相似,，實際生產(chǎn)過程中的混合生產(chǎn)會導(dǎo)致產(chǎn)物分離純化困難,、目標(biāo)產(chǎn)物生產(chǎn)效率低等問題。因此,，本文在已構(gòu)建的動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上,，偶聯(lián)CipA自組裝系統(tǒng)聚集目標(biāo)氨基酸合成途徑中的關(guān)鍵酶，推動單一氨基酸的快速積累,，實現(xiàn)前體物向目標(biāo)產(chǎn)物的迅速定向轉(zhuǎn)化,，從而提高目標(biāo)產(chǎn)物的合成效率。該策略避免了因異丁醇與異戊醇生產(chǎn)途徑部分重疊所導(dǎo)致的混合生產(chǎn)問題,，實現(xiàn)了對目標(biāo)高級醇的精準(zhǔn)動態(tài)調(diào)控（圖2）,。
圖2 偶聯(lián)自組裝系統(tǒng)動態(tài)調(diào)控單一高級醇生產(chǎn)
由于高級醇對細胞生長具有一定毒性作用，為提高宿主菌株的異丁醇耐受性并確定其耐受機制,，本文以大腸桿菌MG1655為出發(fā)菌株,，利用CRISPR/Cas9技術(shù)對異丁醇耐受菌 MG1655Δ98k中的缺失片段進行分區(qū)域敲除，逐步確定了影響菌株耐受性的關(guān)鍵基因,，最終獲得異丁醇耐受菌MG1655Δ98k-2-4,。在該菌株中引入偶聯(lián)CipA自組裝元件的動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)以精準(zhǔn)調(diào)控異丁醇生產(chǎn)，最終在3-L發(fā)酵罐中補料發(fā)酵,，共獲得40.4 g/L異丁醇（圖3）,。本文成功證明了這種新型的動態(tài)調(diào)控策略在維持細胞穩(wěn)態(tài),，提高目標(biāo)化合物生產(chǎn)水平方面的可行性與有效性。
圖3 利用高級醇耐受菌高效生產(chǎn)異丁醇
此項工作基于霍毅欣教授團隊在生物傳感器以及蛋白質(zhì)自組裝技術(shù)方面的研究積累,，已發(fā)表多篇高水平文章,，包括BmoR生物傳感元件的改造與應(yīng)用（Microbial Cell Factories, 2019, 18: 30, Metabolic Engineering, 2019,56: 28-38, ACS Synthtic Biology, 2022, 11: 1251–1260），基于自組裝支架構(gòu)建新型蛋白純化方法（Journal of Biotechnology, 2019, 301: 97-104）以及自組裝蛋白在代謝工程中的應(yīng)用（Trends in Biotechnology, 2024, 42(1):43-60. Applied Microbiology and Biotechnology, 2018, 102: 10005-10015, Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2021, 69: 14609-14619）,。
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