研究提出利用微生物合成萜烯化合物和芳香族化合物的代谢工程策略

萜烯化合物和芳香族化合物是两种种类非常丰富的天然产物，广泛应用于材料、能源、医药和食品等领域。以可再生糖为原料，通过代谢工程策略，以微生物细胞工厂合成这两种化合物，产品附加值高，是当前生物化工领域的研究重点。但是，这些化合物的微生物合成都受一些共性问题的限制，如前体和辅因子供应不足、代谢途径过长、代谢支路干扰和产物毒性强等问题。多年来，中国科学院青岛生物能源与过程研究所生物基材料组群精细化学品研究组致力于多种萜烯化合物和芳香族化合物的微生物合成，包括蒎烯、法尼烯、桧烯、异戊二烯等，以及苯乙烯和苯乙醇等，对于解决上述微生物合成中面临的共性问题积累了丰富的经验，总结提出了较为全面的解决策略，受到国内外同行的广泛关注。在微生物中，代谢途径的前体往往参与多个重要的代谢途径，例如萜烯化合物合成的前体乙酰辅酶A，因此其供应的问题一直是生物化工领域的热点。该研究组总结了多种解决策略，包括减弱与副产物合成相关酶的表达、增强逆反应酶的表达以将副产物催化合成为前体、引入新型的前体合成途径、改变碳源、改变前体等代谢工程策略。另外，辅因子供应，包括ATP和NADPH，也是重要问题。该研究组总结了在大肠杆菌中NADPH合成的三个途径，戊糖磷酸途径、TCA循环和NADH的转化，因此过表达戊糖磷酸途径的Zwf1、TCA循环的sucAB、gltA和sdhABCD，和催化NADH转化为NADPH的Pos5是提高NADPH合成的三种策略。同理，ATP由ADP转化获得，过表达相关基因能够提高ATP的合成。另外，萜烯化合物和芳香族化合物合成的代谢途径过长，导致毒性中间代谢产物累积、细胞代谢负荷重、细胞生长受影响和代谢不平衡等问题。该研究组基于前期工作，提出了多种针对代谢途径过长的解决策略，包括代谢途径的模块化研究、外源基因的染色体整合表达和代谢途径的动态调控等。由于细胞内环境复杂，而且很多萜烯化合物和芳香族化合物也是细胞生长所必需的化合物，因此消耗代谢途径的中间产物或终产物的代谢支路也是面临的重要问题。该研究组总结了多种解决代谢支路的策略，包括支路关键基因的敲除、弱启动子或RNA干扰降低表达、动态调控关键基因的表达、酶抑制剂和基因振荡器等。另外产物在细胞中大量累积，其毒性也是微生物合成面临的重要共性问题。该研究组总结提出了多种解决策略，包括选择无细胞合成体系或者抗毒性宿主，过表达转运蛋白以将毒性产物排出细胞，将毒性产物转化为无毒性产物。基于以上总结和研究，该研究组近期应邀在天然产物领域综述期刊Natural Product Reports（《天然产物报告》）发表题为Recent advances of metabolic engineering strategies in natural isoprenoid production using cell factories 的综述文章，对近三年内通过微生物细胞产萜烯化合物的代谢工程策略进行总结和展望。同时，在《生物加工过程》发表题为《甲羟戊酸途径的代谢支路调控策略的研究进展》的中文综述文章，针对甲羟戊酸途径的代谢支路的代谢工程策略进行总结和展望。另外，近期应邀在生物技术领域综述期刊Biotechnology Advances 发表了题为Common problems associated with the microbial productions of aromatic compounds and corresponding metabolic engineering strategies 的综述文章，对微生物合成芳香族化合物所面临的主要共性问题和对应的代谢工程策略进行总结和展望。(100yiyao.com）