北理工課題組在動態(tài)調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：生命學院 攝影：生命學院
編輯：肖雯 審核：周連景 閱讀次數：
近日，北京理工大學霍毅欣教授團隊在動態(tài)調控高級醇持續(xù)高水平生產方面取得重要進展。相關研究成果以“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。
合成生物學通過設計代謝途徑，能夠將廉價的原料通過微生物細胞轉化為重要的高附加值化合物，實現低成本的綠色生物合成。傳統(tǒng)的代謝工程改造提高目標產物產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、有毒中間產物堆積以及生長受損等現象。動態(tài)調控可以通過構建響應特定信號分子的基因回路，在恰當的節(jié)點調節(jié)基因表達水平，從而實現對目標途徑的代謝調控?；诖?，團隊在大腸桿菌中建立了響應胞內關鍵代謝物濃度的動態(tài)調控系統(tǒng)，形成一種 “生長驅動生產，生產驅動再生長，再生長驅動再生產”的循環(huán)調控模式。通過偶聯(lián)響應氨基酸的 ivbL 轉錄衰減元件以及響應高級醇的BmoR轉錄激活元件，實現生長相關前體物的持續(xù)供應以及高級醇的持續(xù)高水平生產（圖1）。
圖1 CRUISE動態(tài)調控系統(tǒng)的設計及相應的異丁醇產量
目標產物異丁醇和異戊醇結構十分相似，實際生產過程中的混合生產會導致產物分離純化困難、目標產物生產效率低等問題。因此，本文在已構建的動態(tài)調控系統(tǒng)基礎上，偶聯(lián)CipA自組裝系統(tǒng)聚集目標氨基酸合成途徑中的關鍵酶，推動單一氨基酸的快速積累，實現前體物向目標產物的迅速定向轉化，從而提高目標產物的合成效率。該策略避免了因異丁醇與異戊醇生產途徑部分重疊所導致的混合生產問題，實現了對目標高級醇的精準動態(tài)調控（圖2）。
圖2 偶聯(lián)自組裝系統(tǒng)動態(tài)調控單一高級醇生產
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)調控系統(tǒng)以精準調控異丁醇生產，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)調控策略在維持細胞穩(wěn)態(tài)，提高目標化合物生產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自組裝技術方面的研究積累，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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