Heterologous Expression of the Mevalonic Acid Pathway in Cyanobacteria Enhances Endogenous Carbon Partitioning to Isoprene
- 作者
- Fiona K. Bentley, Andreas Zurbriggen, Anastasios Melis
- 单位
- Department of Plant and Microbial Biology, University of California, 111 Koshland Hall, Berkeley, CA 94720-3102, USA
- 杂志
- Molecular Plant（2014）
- DOI
- 10.1093/mp/sst134
- 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
集胞藻PCC 6803中光合碳分配偏向生物量而非异戊二烯，内源MEP途径向IPP/DMAPP前体的代谢通量有限，导致异戊二烯产量低下。
研究策略
在已表达异戊二烯合酶（IspS）的集胞藻中，通过染色体同源重组依次整合上、下游MVA途径操纵子，异源表达来自粪肠球菌、大肠杆菌和肺炎链球菌的MVA途径七种酶，构建平行于内源MEP途径的IPP/DMAPP合成旁路，以增强碳通量并提高异戊二烯产量。
核心内容
本研究在集胞藻PCC 6803中异源表达完整的甲羟戊酸（MVA）途径，以增强异戊二烯合成前体IPP/DMAPP的碳通量。研究人员在已表达异戊二烯合酶（IspS）的藻株中，通过染色体同源重组依次整合来自粪肠球菌、大肠杆菌和肺炎链球菌的七种MVA途径酶，构建了分别受单一启动子调控的三个合成操纵子，实现了无抗生素依赖的稳定基因组整合表达。结果显示，MVA途径蛋白均以可溶形式表达，不损害光自养生长，生物量积累在196小时内约达1 g DCW/L且不受影响。异戊二烯产量由约120 μg/g DCW提升至约250 μg/g DCW，提高约2.0至2.5倍。这项工作首次在光合微生物中实现完整七酶MVA途径的稳定整合与功能表达，证明该途径可绕过内源MEP途径的调控限制，为光合微生物萜类化合物的生产提供了可行范式。
创新点
['首次在光合微生物中异源表达完整的七酶生物合成途径', '设计并实现了包含多达四个基因、受单一启动子调控的合成操纵子，并同时表达三个操纵子', '通过染色体整合实现无抗生素依赖的稳定表达，达到DNA同质化', '验证了MVA途径可在蓝藻中绕过内源MEP途径的调控限制，增强碳流向异戊二烯前体']
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 异戊二烯合成（MEP/MVA下游） | IspS | 异戊二烯合酶（IspS） | 催化 | 来自Pueraria montana，经密码子优化，整合于中性位点slr0168 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 甲羟戊酸（MVA）途径（上游） | HmgS | HMG-CoA合酶（HmgS） | 催化 | 来自Enterococcus faecalis，整合于psbA2位点 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 甲羟戊酸（MVA）途径（上游） | HmgR | HMG-CoA还原酶（HmgR） | 催化 | 来自Enterococcus faecalis，兼具硫解酶和HMG-CoA还原酶活性，催化MVA途径第一和第三步 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 甲羟戊酸（MVA）途径（上游） | AtoB | 乙酰辅酶A乙酰转移酶（AtoB） | 催化 | 来自Escherichia coli，作为额外硫解酶以增强乙酰-CoA流向MVA途径 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 甲羟戊酸（MVA）途径（下游） | Fni | IPP异构酶（Fni） | 催化 | 来自Streptococcus pneumoniae，催化IPP与DMAPP互变，整合于glgX或glgA位点 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 甲羟戊酸（MVA）途径（下游） | MK | 甲羟戊酸激酶（MK） | 催化 | 来自Streptococcus pneumoniae |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 甲羟戊酸（MVA）途径（下游） | PMD | 甲羟戊酸5-二磷酸脱羧酶（PMD） | 催化 | 来自Streptococcus pneumoniae |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 甲羟戊酸（MVA）途径（下游） | PMK | 甲羟戊酸5-磷酸激酶（PMK） | 催化 | 来自Streptococcus pneumoniae |
关键发现
- 异源表达MVA途径后，异戊二烯产量由约120 μg/g DCW提升至约250 μg/g DCW，提高约2.0-2.5倍（各独立株系平均为2.0±0.5至2.4±0.3倍）
- 生物量积累不受影响，196小时内约达1 g DCW/L
- MVA途径蛋白均以可溶形式表达，且不损害光自养生长
- 第一次在光合微生物中实现完整七酶MVA途径的稳定基因组整合与功能表达。
研究结论
在集胞藻中异源表达MVA途径可有效增强碳流向IPP/DMAPP前体的通量，从而将异戊二烯产量提高约2.5倍，且不影响生物量积累。该策略为光合微生物生产萜类化合物提供了一种可用的遗传工程范式。