Improved Squalene Production via Modulation of the Methylerythritol 4-Phosphate Pathway and Heterologous Expression of Genes from Streptomyces peucetius ATCC 27952 in Escherichia coli

作者: Gopal Prasad Ghimire, Hei Chan Lee, Jae Kyung Sohng
单位: Institute of Biomolecule Reconstruction (iBR), Department of Pharmaceutical Engineering, Sun Moon University, #100 Kalsan-ri, Tangjeong-myeon, Asans, Chungnam 336-708, South Korea
杂志: Applied and Environmental Microbiology（2009）
DOI: 10.1128/AEM.01402-09
所属领域: 代谢工程
关键词: hopanoid生物合成大肠杆菌异源表达波赛链霉菌甲基赤藓醇4-磷酸途径角鲨烯
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解决的核心问题

角鲨烯是工业上重要的化合物，传统来源（鲨鱼肝油、植物）存在污染物、纯化困难、供应不稳定等问题，急需开发可持续的微生物生产方法。

研究策略

将波赛链霉菌（Streptomyces peucetius）中隐晦的hopanoid生物合成基因簇中的hopA、hopB、hopD基因异源表达于大肠杆菌，同时过表达大肠杆菌自身MEP途径中的dxs和idi基因以增加异戊烯基焦磷酸（IPP）供应，从而提升角鲨烯产量。

研究路线图

100%

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核心内容

针对传统角鲨烯来源存在的污染与供应问题，该研究在Escherichia coli BL21(DE3)中异源表达了来自波赛链霉菌隐晦hopanoid基因簇的hopA、hopB和hopD基因，并结合过表达内源MEP途径的dxs与idi基因以增强异戊烯基焦磷酸前体供应。结果表明，单独表达hopA或hopB即可检测到角鲨烯生成；共表达hopABD后产量达4.1 mg/L，而进一步引入dxs和idi使产量提升至11.8 mg/L。产物结构经TLC、GC/MS、HPLC和NMR验证。该工作首次利用链霉菌隐晦基因簇成功在大肠杆菌中重建角鲨烯合成路线，并通过前体供给的协同优化实现了产量近3倍的提升，为角鲨烯的可持续微生物制造提供了一种可行且具有工业潜力的替代策略。

创新点

首次利用波赛链霉菌隐晦hopanoid基因簇中的基因在大肠杆菌中实现角鲨烯合成，并通过调节MEP途径协同增强产量。

研究对象（5）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Escherichia coli BL21(DE3)	hopanoid/角鲨烯生物合成途径	hopA	角鲨烯合酶（squalene synthase）	催化	来自波赛链霉菌隐晦hopanoid基因簇
Escherichia coli BL21(DE3)	hopanoid/角鲨烯生物合成途径	hopB	角鲨烯/八氢番茄红素合酶（squalene/phytoene synthase）	催化	来自波赛链霉菌隐晦hopanoid基因簇
Escherichia coli BL21(DE3)	hopanoid/角鲨烯生物合成途径	hopD	法尼基二磷酸合酶（farnesyl diphosphate synthase）	催化	来自波赛链霉菌隐晦hopanoid基因簇
Escherichia coli BL21(DE3)	甲基赤藓醇4-磷酸途径（MEP）	dxs	1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase）	催化	来自大肠杆菌自身，增强MEP途径
Escherichia coli BL21(DE3)	甲基赤藓醇4-磷酸途径（MEP）	idi	异戊烯基二磷酸异构酶（isopentenyl diphosphate isomerase）	催化	来自大肠杆菌自身，增强MEP途径

关键发现

单独表达hopA或hopB可在大肠杆菌中检测到角鲨烯
共表达hopABD时角鲨烯产量为4.1 mg/L
进一步共表达dxs和idi后产量提高至11.8 mg/L。通过TLC、GC/MS、HPLC和NMR验证了产物结构。

研究结论

通过异源表达波赛链霉菌的hopABD基因并增强大肠杆菌MEP途径，成功实现了角鲨烯在微生物中的高效生产，产量达11.8 mg/L，为角鲨烯的工业化生产提供了有前景的替代方案。