Metabolic Engineering|陈坚院士团队周景文教授课题组研究成果：利用多重代谢工程在大肠杆菌中开发维生素B5高产菌
来源：食品合成生物学与生物制造团队
文图：宋富强 审核：汪超 发布日期：2024-07-31 查看次数： 次
近日，Metabolic Engineering
在线发表了江南大学未来食品科学中心陈坚院士团队周景文教授课题组的研究成果“Development of a vitamin B5hyperproducer in Escherichia coli by multiple metabolic engineering” (Song et al., Metab. Eng. 2024, 84, 158-168.)。江南大学2021级博士生宋富强为论文第一作者，周景文教授为论文通讯作者。
维生素B5 [D-泛酸(D-PA)]是一种必需的水溶性维生素，广泛应用于食品和饲料行业。目前，D-PA发酵效率较低，限制了其在工业上的应用。虽然代谢工程策略已被用于增强D-PA的生物合成，但大多数依赖于质粒表达。然而，这种方法可能导致产量波动，并对细胞代谢造成额外负担。而且代谢网络的复杂性、辅因子供应的不平衡以及转运机制的不明确仍然阻碍着D-PA的生物合成。
针对上述问题，江南大学食品合成生物学与生物制造团队研究人员利用系统代谢工程策略构建了一株不含质粒的D-PA高产菌株。首先，通过敲除非磷酸转移酶系统、抑制丙酮酸竞争分支、动态控制三羧酸循环富集丙酮酸；其次，通过筛选限速酶PanBC，并对丙酮酸到(R)-泛解酸合成途径基因进行逐一调控，以增强(R)-泛解酸通路。然后，为了增强NADPH的可持续性，通过构建NADPH的可持续再生系统“PEACES”，包括:(1)表达来自谷氨酸梭菌的NAD+激酶基因ppnk和来自乙酰丁酸梭菌的NADP+依赖的甘油醛-3-磷酸脱氢酶基因gapCcae，以及(2)敲除内源性可溶性氢化酶基因sthA；这与在D-PA生物合成途径中ilvC和panE相互作用，实现NADPH再生利用。此外，结合转录组数据分析，新发现了一个潜在的D-PA外排系统，膜蛋白OmpC和TolR通过增加膜流动性有助于囊泡的运输，可能促进D-PA外排，从而对D-PA的生产产生积极的影响。最终菌株PA132通过两阶段补料分批发酵获得83.26 g/L的D-PA。本研究为D-PA工业生产建立了具有竞争力的生产者，为相关产品的生产提供了有效的策略。制定的策略可有效降低D-PA生产成本。其中，PEACES系统可有效增强NADPH在D-PA生物合成中的可持续性，为CoA等相关产物的生物合成提供了一种实用的途径。然而，在改善细胞工厂和提高D-PA产量方面仍有一些工作要做。例如，可以进行代谢模拟，以优化未来重组菌株中的多个代谢途径。通过平衡(R)-泛解酸合成途径和β-丙氨酸合成途径，以葡萄糖为唯一底物高效合成D-PA。
上述研究工作得到了国家重点研发计划项目(2023YFF1103700)、国家自然科学基金创新研究群体项目(32021005)和中央高校基本科研业务资助项目(KYCX23_2494)的资助。
图1 大肠杆菌中 D-PA 生物合成策略的概述
图2 改善膜通透性以增强D-PA外排
图3 在5L生物反应器中生产 D-PA
（编辑：潘梦妍）
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