ACS Sustainable Chemistry & Engineering|陈坚院士团队周景文教授课题组研究成果：调节多种辅因子和中间产物外排提高大肠杆菌中松柏醇的合成
来源：食品合成生物学与生物制造团队
文图：王炼 审核：汪超 发布日期：2024-07-10 查看次数： 次
近日，ACS Sustainable Chemistry & 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“Improving Production of Coniferyl Alcohol in Escherichia coli by Regulating the Multiple Cofactors and Efflux of Intermediates” (Wang et al., ACS Sustain. Chem. Eng. 2024, 12, 26, 9704-9715)。江南大学2019级博士毕业生王炼为论文第一作者，周景文教授为论文通讯作者。
松柏醇是形成植物木质素中愈创木酰基单元的单体木质醇之一，其衍生物具有重要的药用性质。松柏醇可以用于多种高价值化合物的生物合成，如水飞蓟宾、松脂素、芝麻素、落叶松脂素和罗汉松脂素等。植物中游离的松柏醇含量较低，限制了植物提取法的生产效率。微生物细胞工厂为松柏醇及其衍生物的合成提供了绿色、可持续的生产方式。目前，微生物合成松柏醇主要依赖于微生物共培养的方式，以此减少关键酶的杂泛性引起的副产物过量积累。除了副产物的形成外，微生物合成松柏醇的效率依然受到两个因素的影响。首先，松柏醇合成途径涉及到FADH2、S-腺苷-L-甲硫氨酸(SAM)和NAD(P)H等辅因子的消耗，导致内源的辅因子供给不足。第二个因素是酚酸和单体木质醇会抑制微生物的细胞生长，导致生产效率降低。
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构建了一条高效的松柏醇生物合成途径，提高了大肠杆菌NADPH和SAM的水平并引入异源外排泵。首先，在大肠杆菌中构建了松柏醇的生物合成途径，并优化了NADPH的供给水平。然后，通过优化莽草酸途径、减少副产物积累和阻断竞争途径提高松柏醇的合成水平。由于酪氨酸过量积累使得松柏醇产量降低，因此优化阿魏酸合成和关键4CL的来源及表达水平来缓解酪氨酸过量积累造成的代谢压力。通过底物喂养实验证明阿魏酸的含量是合成松柏醇的限制因素。为了提高阿魏酸的合成能力，通过减少L-酪氨酸的外流、增强SAM循环、提高羟化效率和降低SAM消耗等方式优化。由于阿魏酸合成能力提升，基于4CL利用融合标签和连接肽重新平衡阿魏酸和松柏醇的代谢通量。考虑到阿魏酸过量积累会影响细胞生长和松柏醇合成的效率，因此在大肠杆菌中引入恶臭假单胞菌来源的外排泵SrpB缓解代谢产物造成的压力。在摇瓶水平上，松柏醇产量提高至742.8 mg/L。最后，在5-L发酵罐上，松柏醇产量进一步提高至1315.3 mg/L。该研究避免了复杂的细菌共培养体系构建，并强调了在苯丙素类化合物合成中前体控制的重要性。
上述研究工作得到了国家自然科学基金创新研究群体项目(32021005)的资助。
图1 松柏醇在大肠杆菌中的生物合成途径
图2 通过外排蛋白、SAM循环增强和羟化酶筛选来增强前体阿魏酸的生物合成
图3 阿魏酸合成的调节和srpB的整合表达对松柏醇生物合成的影响
（编辑：潘梦妍）
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