Strategies of Isoprenoids Production in Engineered Bacteria
- 作者
- Yanjie Li, Ganggang Wang
- 单位
- College of Pharmaceutical and Biological Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, 110142, China; Key Laboratory of Environmental and Applied Microbiology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, 610041, China; Environmental Microbiology Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, 610041, China
- 杂志
- Journal of Applied Microbiology（2017）
- DOI
- 10.1111/jam.13237
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
天然提取和化学合成异戊二烯类化合物产量有限、成本高，无法满足日益增长的需求，需要开发高效的微生物合成方法。
研究策略
综述了工程细菌生产异戊二烯类化合物的多种策略：引入外源基因、过表达MEP途径关键酶、引入异源MVA途径、平衡前体供应、阻断竞争途径以及优化培养条件等。
核心内容
该综述系统总结了利用工程细菌生产异戊二烯类化合物的多种代谢工程策略。研究涵盖前体供应强化、异源途径引入、竞争途径阻断及培养条件优化等方向。关键结果方面，在大肠杆菌中引入外源异戊二烯合酶（ispS）使异戊二烯产量从9 mg/L提升至94 mg/L，进一步过表达枯草芽孢杆菌来源的DXS/DXR后产量达314 mg/L；扩增idi、dxs、ispD和ispF四个基因使番茄红素产量从0.89 mg/g DCW提高至5.39 mg/g DCW，敲除zwf基因则使番茄红素产量提升130%。表达酿酒酵母完整MVA途径后，amorphadiene产量较天然菌株提高76倍；优化组合MVA途径并引入异戊二烯合酶后，40小时发酵异戊二烯产量达6.3 g/L。增强EDP途径可使异戊二烯产量和产率分别比EMP途径提高3倍和6倍。这些数据表明，通过组合运用前体平衡、通量强化和竞争途径弱化等策略，工程细菌已能实现多种异戊二烯类化合物的高效合成，为工业化生产奠定了重要基础。
创新点
系统总结了多种提高异戊二烯类化合物产量的合成生物学策略，并讨论了工业应用中面临的细胞生长、质粒稳定性等问题及解决方案，如基因整合、增强宿主耐受性等。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | MEP pathway | dxs | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 催化 | 过表达可提高类胡萝卜素和异戊二烯产量 |
| Escherichia coli | MEP pathway | dxr | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate reductoisomerase | 催化 | 与dxs共过表达进一步提高产量 |
| Escherichia coli | MEP pathway | idi | isopentenyl diphosphate isomerase | 催化 | 过表达可促进IPP/DMAPP相互转化，提高类胡萝卜素产量 |
| Escherichia coli | MEP pathway | ispD | 2C-methyl-D-erythritol-4-phosphate cytidylyltransferase | 催化 | 扩增提高番茄红素产量 |
| Escherichia coli | MEP pathway | ispF | 2C-methyl-D-erythritol-2,4-cyclodiphosphate synthase | 催化 | 扩增提高番茄红素产量 |
| Escherichia coli | MEP pathway | ispS | isoprene synthase | 催化 | 来自Populus nigra等，催化DMAPP生成异戊二烯 |
| Escherichia coli | MVA pathway | atoB | acetoacetyl-CoA synthase | 催化 | MVA上游途径基因 |
| Escherichia coli | MVA pathway | hmgS | hydroxymethylglutaryl-CoA synthase | 催化 | MVA上游途径基因 |
| Escherichia coli | MVA pathway | hmgR | hydroxymethylglutaryl-CoA reductase | 催化 | MVA上游途径基因 |
| Escherichia coli | MVA pathway | MVK | mevalonate kinase | 催化 | MVA下游途径基因 |
| Escherichia coli | MVA pathway | PMK | phosphomevalonate kinase | 催化 | MVA下游途径基因 |
| Escherichia coli | MVA pathway | PMD | mevalonate diphosphate decarboxylase | 催化 | MVA下游途径基因 |
| Escherichia coli | MEP pathway | ispA | farnesyl diphosphate synthase | 催化 | 催化DMAPP/IPP生成GPP/FPP，增强代谢流 |
| Escherichia coli | 异戊二烯合成 | SabS1 | sabinene synthase | 催化 | 催化GPP生成sabinene |
| Escherichia coli | MEP pathway | zwf | glucose-6-phosphate dehydrogenase | 催化 | 敲除以阻断竞争途径，增加前体供应，提高番茄红素产量 |
| Synechocystis | MVA pathway | ispS | isoprene synthase | 催化 | 异源表达MVA途径和ispS，提高异戊二烯产量2.5倍 |
关键发现
- 引入外源异戊二烯合酶（ispS）使大肠杆菌异戊二烯产量从9 mg/L提高到94 mg/L
- 进一步过表达来自枯草芽孢杆菌的DXS/DXR后产量达314 mg/L。过表达DXS可使番茄红素产量提高8倍
- 扩增idi、dxs、ispD和ispF使番茄红素产量从0.89 mg/g DCW提高到5.39 mg/g DCW。在大肠杆菌中表达酿酒酵母完整MVA途径，amorphadiene产量达约6.5 μg caryophyllene equivalent/ml/OD600，较天然菌株提高76倍。优化组合MVA途径并引入异戊二烯合酶后，40小时发酵异戊二烯产量达6.3 g/L。增强EDP途径使异戊二烯产量和产率分别比EMP途径提高3倍和6倍。敲除zwf基因使番茄红素产量提高130%。
研究结论
利用工程细菌生产异戊二烯类化合物是满足日益增长需求的有前景途径，通过多种策略已实现多种异戊二烯的高产，未来通过进一步的菌株和工艺优化有望实现工业化生产。