Terpenoids and Their Biosynthesis in Cyanobacteria
- 作者
- Bagmi Pattanaik, Pia Lindberg
- 单位
- Department of Chemistry—Ångström, Uppsala University, Box 523, SE-751 20 Uppsala, Sweden
- 杂志
- Life（2015）
- DOI
- 10.3390/life5010269
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
蓝藻中萜类化合物生物合成（主要通过MEP途径）及其代谢工程异源生产的研究现状与瓶颈。
研究策略
系统综述蓝藻MEP途径各酶学步骤、天然萜类产物及异源表达非天然萜类的典型研究，并总结通过过表达内源或异源基因增强通量的策略。
核心内容
该文系统综述了蓝藻中萜类化合物主要通过MEP途径进行生物合成的机制，以及利用蓝藻作为光合微生物平台进行异源萜类生产的代谢工程研究进展。文章首先梳理了蓝藻MEP途径各酶学步骤和天然萜类产物的多样性，随后重点总结了通过过表达内源或异源基因来增强通量的策略及其效果。关键结果方面，在聚球藻Synechocystis中异源表达葛藤异戊二烯合酶可实现异戊二烯产量50 μg/g DCW，引入粪肠球菌和肺炎链球菌的MVA途径后产量提高约2.5倍达到250 μg/g DCW；表达柠檬烯合酶在Synechococcus sp. PCC 7002中产量达4 mg/L，而过表达异源DXP操纵子使Anabaena中柠檬烯产量在低光和高光下分别提高2.3倍和6.8倍。此外，过表达内源dxs可使类胡萝卜素水平提高约1.5倍。这些结果表明蓝藻能直接利用二氧化碳和光能生产多种萜类，是潜在的绿色合成平台，但MEP途径通量限制和遗传工具缺乏仍制约其商业化应用，未来需深入解析天然调控机制并开发更高效的工程工具。
创新点
全面整合蓝藻萜类合成与工程改造的最新进展，提出蓝藻作为光合微生物平台在萜类生产中的优势与挑战。
研究对象（25）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP途径 | dxs | DXS (1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase) | 催化 | 催化甘油醛-3-磷酸与丙酮酸缩合生成DXP，限速酶 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP途径 | dxr | DXR (1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase) | 催化 | 催化DXP还原重排生成MEP |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP途径 | ispD | MCT (2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate cytidylyltransferase) | 催化 | 催化MEP与CTP生成CDP-ME |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP途径 | ispE | CMK (4-(cytidine 5'-diphospho)-2-C-methyl-D-erythritol kinase) | 催化 | ATP依赖磷酸化CDP-ME生成CDP-MEP |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP途径 | ispF | MDS (2-C-methyl-D-erythritol 2,4-cyclodiphosphate synthase) | 催化 | 催化CDP-MEP环化生成MEcDP |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP途径 | ispG | HDS (4-hydroxy-3-methylbut-2-enyl diphosphate synthase) | 催化 | 催化MEcDP还原开环生成HMBDP |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP途径 | ispH | HDR (4-hydroxy-3-methylbut-2-enyl diphosphate reductase) | 催化 | 催化HMBDP生成IDP和DMADP混合物 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP途径 | idi | IDI (isopentenyl diphosphate isomerase) | 催化 | 可逆异构化IDP与DMADP，Synechocystis中为II型异构酶 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP途径/萜类下游 | crtE | GDPS/FDPS/GGDPS (geranyl/farnesyl/geranylgeranyl diphosphate synthase) | 催化 | 单基因编码双功能/多功能异戊烯基转移酶，生成GDP、FDP、GGDP |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP途径 | IspS (from Pueraria montana) | Isoprene synthase | 催化 | 异源表达，催化DMADP生成异戊二烯 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MVA途径（异源） | atoB (E. coli), hmgS, hmgR (Enterococcus faecalis), MK, PMK, PMD, fni (Streptococcus pneumoniae) | 乙酰CoA乙酰转移酶、HMG-CoA合酶、HMG-CoA还原酶、甲羟戊酸激酶、磷酸甲羟戊酸激酶、二磷酸甲羟戊酸脱羧酶、IDP异构酶 | 催化 | 异源表达完整MVA途径增强异戊二烯产量 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 单萜合成 | limS (from Schizonepeta tenuifolia) | Limonene synthase | 催化 | 异源表达，催化GDP生成柠檬烯 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 单萜合成 | limS (from Mentha spicata) | L-limonene synthase | 催化 | 异源表达，催化GDP生成柠檬烯 |
| Anabaena sp. PCC 7120 | 单萜合成 | limS (from Picea sitchensis) | Limonene synthase | 催化 | 与异源dxs、IDI、GDPS共表达，提高柠檬烯产量 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 单萜合成 | β-PHLS (from Lavandula angustifolia) | β-phellandrene synthase | 催化 | 异源表达，催化GDP生成β-水芹烯 |
| Anabaena sp. PCC 7120 | 单萜合成 | linS (from Picea abies) | Linalool synthase | 催化 | 异源表达，催化GDP生成芳樟醇 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 倍半萜合成 | QHS1 (from Artemisia annua) | β-caryophyllene synthase | 催化 | 异源表达，催化FDP生成β-石竹烯 |
| Anabaena sp. PCC 7120 | 倍半萜合成 | FaS (from Picea abies) | Farnesene synthase | 催化 | 异源表达，催化FDP生成法尼烯 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 倍半萜合成 | bisabolene synthase (from Abies grandis) | (E)-α-bisabolene synthase | 催化 | 异源表达，催化FDP生成α-红没药烯 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 二萜/叶绿醇合成 | chIP | Geranylgeranyl reductase | 催化 | 催化GGDP还原为植基，用于叶绿素和生育酚合成 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 三萜/角鲨烯合成 | sqs | Squalene synthase | 催化 | 催化两分子FDP头对头缩合生成角鲨烯 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 三萜/藿烷合成 | shc | Squalene hopene cyclase | 催化 | 催化角鲨烯环化生成藿烯 |
| Nostoc punctiforme PCC 73102 | 倍半萜/土臭味素合成 | geoA | Geosmin synthase | 催化 | 双功能酶，催化FDP生成geosmin |
| Thermosynechococcus elongatus BP-1 | MEP途径 | ispG | HDS (GcpE) | 催化 | 其活性依赖还原型铁氧还蛋白 |
| Pseudanabaena sp. | 单萜/2-甲基异莰醇合成 | GDPMT, MIBS | GDP甲基转移酶、2-甲基异莰醇合酶 | 催化 | 通过GDP甲基化和环化两步反应生成2-甲基异莰醇 |
关键发现
- 异源表达方面：Synechocystis中表达kudzu异戊二烯合酶，异戊二烯产量达50 μg/g DCW（或150 μg/L）
- 引入粪肠球菌和肺炎链球菌MVA途径后，异戊二烯产量提高约2.5倍，达250 μg/g DCW。表达柠檬烯合酶后，Synechocystis产柠檬烯41 μg/L/day（过表达dxs、crtE、idi后达56 μg/L/day），Synechococcus sp. PCC 7002产4 mg/L，Anabaena sp. PCC 7120产3.6±0.5 μg/L/OD/h
- 在Anabaena中过表达异源DXP操纵子（dxs、IDI、GDPS）使柠檬烯产量在低光下提高2.3倍、高光下提高6.8倍。表达薰衣草β-水芹烯合酶，Synechocystis产β-水芹烯1.0 μg/L/h，优化启动子后产量达253.8±54.8 μg/g DCW。表达青蒿β-石竹烯合酶QHS1，产量3.7 μg/g DCW/week。表达挪威云杉法尼烯合酶，Anabaena产法尼烯305.4±17.7 μg/L。表达冷杉(E)-α-红没药烯合酶，Synechococcus产红没药烯0.6 mg/L。此外，过表达Synechocystis内源dxs使类胡萝卜素水平提高约1.5倍，同时糖原降低。
研究结论
蓝藻能直接利用CO2和光能进行光合生产，是萜类化合物异源合成的潜在平台；但目前MEP途径的通量限制和遗传工具缺乏仍阻碍商业化应用，需进一步解析天然调控机制并开发工程工具。