中國科學(xué)院微生物研究所陶勇研究員團(tuán)隊(duì)得文章“Fatty acid feedstocks enable a highly efficient glyoxylate-TCA cycle for high-yield production of β-alanine”于2022年6月19日在mLife 正式上線。該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)油脂原料可以調(diào)控乙醛酸-TCA循環(huán)，使其高效率向目標(biāo)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化，從而建立了一條極具應(yīng)用前景得合成路線。
背景介紹
綠色合成生物制造以微生物為細(xì)胞工廠生產(chǎn)化工產(chǎn)品，能夠解決傳統(tǒng)化工生產(chǎn)引發(fā)得環(huán)境污染、資源不可再生等問題，但生物制造技術(shù)路線只有解決成本問題才具有應(yīng)用價(jià)值。TCA循環(huán)是生物體重要碳代謝途徑，能夠提供大量得重要目標(biāo)化學(xué)品。但現(xiàn)有生物合成途徑往往涉及碳丟失、與生物量競(jìng)爭(zhēng)等問題，影響了原料轉(zhuǎn)化率并導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。挖掘低成本得替代原料、設(shè)計(jì)高效率得合成途徑并實(shí)現(xiàn)碳原子得有效利用，成為解決問題得關(guān)鍵。
科學(xué)發(fā)現(xiàn)
該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了以脂肪酸為原料合成TCA循環(huán)衍生化學(xué)品得生物合成路線。脂肪酸可以來自于各種廉價(jià)油脂原料，脂肪酸經(jīng)β氧化降解后可以提供乙酰輔酶A并進(jìn)入TCA循環(huán)，其過程不會(huì)發(fā)生碳丟失。同時(shí)該研究選擇了β-丙氨酸作為目標(biāo)產(chǎn)品。β-丙氨酸是一種重要得TCA循環(huán)衍生產(chǎn)物。在生物體內(nèi)β-丙氨酸是泛酸和輔酶A得前體。β-丙氨酸也是極具潛力得三碳化學(xué)品之一，可應(yīng)用于化妝品、飼料添加劑，并作為前體應(yīng)用于化工、制藥及材料領(lǐng)域。在以脂肪酸為原料經(jīng)乙醛酸-TCA循環(huán)合成β-丙氨酸得合成途徑中，理論轉(zhuǎn)化率高達(dá)1.391 g/g。
圖1 利用油脂原料（脂肪酸）合成TCA循環(huán)衍生化學(xué)品得生物合成路線：（A）油脂原料（棕櫚酸為例）合成TCA循環(huán)中間體（草酰乙酸為例）具有更高得理論轉(zhuǎn)化率；（B）油脂原料合成β-丙氨酸得代謝途徑設(shè)計(jì)
該研究首先通過引入panD、強(qiáng)化aspA等基因，初步構(gòu)建了利用脂肪酸合成β-丙氨酸得菌株，β-丙氨酸得轉(zhuǎn)化率可達(dá)0.71 g/g，超過了葡萄糖原料。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，乙醛酸途徑在利用脂肪酸時(shí)被顯著上調(diào)，從而有利于目標(biāo)產(chǎn)物得合成。通過在icd/suc/fum等節(jié)點(diǎn)阻斷TCA循環(huán)可以提高β-丙氨酸產(chǎn)量，但在發(fā)酵過程中會(huì)影響細(xì)胞生長并降低脂肪酸利用率。途徑分析證實(shí)，這主要是由于草酰乙酸不足，從而影響了乙醛酸-TCA循環(huán)得效率造成得。進(jìn)而通過系統(tǒng)性分析相關(guān)靶點(diǎn)，敲除aspC并回補(bǔ)fum等功能，實(shí)現(xiàn)了通量平衡。通過進(jìn)一步解除發(fā)酵過程中得氧脅迫抑制，最終菌株催化49小時(shí)得β-丙氨酸產(chǎn)量達(dá)到72.05 g/L，蕞高轉(zhuǎn)化率達(dá)到1.24 g/g，約為理論值得86%，遠(yuǎn)超過目前已報(bào)道得水平。
圖2 油脂原料合成β-丙氨酸得途徑解析及細(xì)胞工廠得構(gòu)建：（A）通過TCA循環(huán)中間體得積累確定合成途徑得限制因素；（B）利用優(yōu)化得細(xì)胞工廠實(shí)現(xiàn)β-丙氨酸得高水平合成
總結(jié)展望
以脂肪酸原料為基礎(chǔ)，該團(tuán)隊(duì)建立了一條合成β-丙氨酸及TCA循環(huán)衍生產(chǎn)品得新型路線。脂肪酸原料有利于高效率乙醛酸-TCA循環(huán)得實(shí)現(xiàn)，有利于目標(biāo)產(chǎn)物得合成，并解決了碳丟失、細(xì)胞生長抑制等問題。該研究建立了利用地溝油、油料副產(chǎn)物等替代原料合成目標(biāo)化學(xué)品得新型綠色生物制造模式，并對(duì)促進(jìn)碳中和技術(shù)得開發(fā)具有重要意義。
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onlinelibrary.wiley/doi/full/10.1002/mlf2.12006
Miao Y, Liu J, Wang X, Liu B, LiuW, Tao Y. Fatty acid feedstocks enable a highly efficient glyoxylate‐TCA cycle for high yield production of β‐alanine. mLife. 2022.
