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Nat. Commun：山大趙廣團(tuán)隊(duì)在高碳得率細(xì)胞工廠的新進(jìn)展
來(lái)源：山東大學(xué) 2023-09-01
導(dǎo)讀：近日，山東大學(xué)微生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙廣教授團(tuán)隊(duì)在期刊Nature Communications上發(fā)表題為“Using a synthetic machinery to improve carbon yield with acetylphosphate as the core”的研究論文。
近年來(lái)，化學(xué)品和材料的微生物合成技術(shù)蓬勃發(fā)展，然而目前廣泛使用的包括大腸桿菌和酵母在內(nèi)的眾多微生物在進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化時(shí)存在先天性限制，即在中心代謝過(guò)程會(huì)造成碳損失。其中，丙酮酸到乙酰輔酶A的反應(yīng)釋放二氧化碳，是碳損失的主要原因之一。這不僅損害碳原子經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)與“碳達(dá)峰”“碳中和”的目標(biāo)相悖。在微生物中，乙酰輔酶A不僅是中心代謝途徑的基本代謝產(chǎn)物，同時(shí)是許多高價(jià)值物質(zhì)合成的前體。因此，設(shè)計(jì)和構(gòu)建高碳原子經(jīng)濟(jì)性的、乙酰輔酶A供應(yīng)充足的底盤細(xì)胞將有利于多種化學(xué)品和材料的微生物合成。
圖1 高碳得率大腸桿菌細(xì)胞工廠的構(gòu)建和應(yīng)用
乙酰磷酸（acetyl-phosphate，AcP）可以在轉(zhuǎn)乙酰酶的催化下反應(yīng)生成乙酰輔酶A。本研究以乙酰磷酸為核心，通過(guò)設(shè)計(jì)靜態(tài)路徑重構(gòu)模塊和動(dòng)態(tài)代謝流自主分配模塊對(duì)大腸桿菌中心代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重編程，進(jìn)而構(gòu)建提高碳得率的合成機(jī)械。靜態(tài)路徑重構(gòu)模塊包括設(shè)計(jì)和優(yōu)化了大腸桿菌路徑最短的人工碳封存途徑——基于三功能磷酸轉(zhuǎn)酮酶的二磷酸庚酮糖循環(huán)（Sedoheptulose-1,7-bisphosphatase Cycle with Trifunctional PhosphoKetolase，SCTPK），繞過(guò)丙酮酸到乙酰輔酶A的碳釋放過(guò)程，實(shí)現(xiàn)葡萄糖至乙酰磷酸的等摩爾轉(zhuǎn)化。此外該途徑僅需引入2個(gè)外源酶，蛋白表達(dá)壓力低，兼具原子經(jīng)濟(jì)性和蛋白經(jīng)濟(jì)性。動(dòng)態(tài)代謝流自主分配模塊包括具有不同閾值和動(dòng)態(tài)范圍的乙酰磷酸激活和抑制遺傳回路。二者模塊的整合促進(jìn)了以乙酰磷酸為核心的合成振蕩系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，使得細(xì)胞內(nèi)乙酰磷酸的穩(wěn)態(tài)得以維持，避免了乙酰磷酸積累造成的蛋白質(zhì)過(guò)度乙酰化，同時(shí)促使細(xì)胞資源在細(xì)胞生長(zhǎng)和目標(biāo)化合物合成之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自主分配。最后將該合成機(jī)械應(yīng)用于多種化學(xué)品或材料的合成，其中甲羥戊酸的得率為0.61 g/g葡萄糖，超過(guò)其天然理論得率。3-羥基丙酸的產(chǎn)量和得率分別為73.42 g/L和0.51 g/g葡萄糖，為目前以葡萄糖為底物、通過(guò)丙二酰輔酶A途徑所報(bào)告的最高值。本研究為高碳原子經(jīng)濟(jì)性微生物細(xì)胞工廠的開(kāi)發(fā)提供了一種有效的策略。山東大學(xué)微生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文第一完成單位和通訊作者單位，趙廣教授為論文通訊作者，博士研究生郭李坤和副研究員劉敏為論文的共同第一作者。微生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室祁慶生教授和中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所咸漠研究員也參與了本研究工作。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)重室創(chuàng)新群體等項(xiàng)目的資助。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41135-7
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