高级醇 · 代谢工程文献库

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Metabolic engineering strategies for sesquiterpene production in microorganism

作者
Chun-Li Liu, Kai Xue, Yankun Yang, Xiuxia Liu, Ye Li, Taek Soon Lee, Zhonghu Bai, Tian-Wei Tan
单位
National Engineering Laboratory for Cereal Fermentation Technology, Jiangnan University, Wuxi, 214122, China; College of Life Science and Technology, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, P. R. China; The Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University; Jiangsu Provincial Research Center for Bioactive Product Processing Technology, Jiangnan University; Joint BioEnergy Institute, 5885 Hollis Street, Emeryville, CA 94608, USA; Biological Systems & Engineering Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA
杂志
Critical Reviews in Biotechnology（2022）
DOI
10.1080/07388551.2021.1924112
所属领域
代谢工程
关键词
MEP pathwayMVA pathwaySesquiterpene biosynthesismetabolic engineering strategiessesquiterpene synthase
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解决的核心问题

天然倍半萜产量低且提取困难，需通过微生物发酵和代谢工程策略实现倍半萜的高效生物合成。

研究策略

系统综述了倍半萜生物合成途径及在E. coli、S. cerevisiae等微生物中通过MEP/MVA途径工程、关键基因过表达、蛋白融合、动态调控、转运工程等策略提高倍半萜产量的研究。

研究路线图

研究问题：倍半萜产量低，需微生物代谢工程
策略：MEP/MVA途径工程，宿主多样化
改造①：关键基因过表达与蛋白融合
改造②：动态调控与基因组整合
改造③：转运工程与辅因子平衡
结果：E. coli最高29.7 g/L，酵母超130 g/L
结论：微生物发酵+代谢工程可实现经济生产
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核心内容

该综述系统梳理了利用大肠杆菌和酿酒酵母等微生物生产倍半萜的代谢工程策略。针对天然倍半萜产量低、提取难的瓶颈，研究聚焦于前体供给、关键酶表达和途径调控三个层面：一方面通过引入异源MVA途径或强化内源MEP途径提升IPP/DMAPP前体池，另一方面借助蛋白融合、动态调控、基因组整合和体外途径重构等手段优化碳流分配。在大肠杆菌中，异源MVA途径结合发酵优化使amorphadiene产量达29.7 g/L，敲除PTS系统将产量提升至182 mg/L，动态调控MVA途径进一步达到1.4 g/L；β-farnesene在生物反应器中可达8740 mg/L。在酿酒酵母中，过表达tHMG1并下调ERG9使amorphadiene达153 mg/L，重编程中心碳代谢和辅因子工程使farnesene产量超过130 g/L。这些结果表明，微生物发酵结合代谢工程已能经济可行地生产多种高价值倍半萜，但进一步提升产量仍依赖菌株优化、精细调控和工艺放大。

创新点

全面回顾了倍半萜合成酶多样性及微生物宿主工程和途径工程的最新进展，重点介绍了动态调控、蛋白融合、基因组整合、体外途径重构等策略在高产倍半萜中的应用。

研究对象（30）

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 过表达可增加MEP途径前体DXP，提高倍半萜产量。
Escherichia coli MEP pathway idi isopentenyl diphosphate isomerase 催化 催化IPP与DMAPP异构化，增强前体供给。
Escherichia coli MEP pathway ispA farnesyl diphosphate synthase 催化 催化IPP和DMAPP缩合生成FPP。
Escherichia coli MVA pathway tHMGR truncated hydroxymethylglutaryl-CoA reductase 催化 截短HMGR，增强MVA通路通量，是限速步骤。
Escherichia coli MVA pathway mvk mevalonate kinase 催化 MVA途径限速酶，密码子优化可提高产量。
Escherichia coli MVA pathway pmk phosphomevalonate kinase 催化 MVA途径酶，与mvk同为潜在瓶颈。
Escherichia coli Sesquiterpene biosynthesis ADS amorphadiene synthase 催化 催化FPP生成amorphadiene。
Escherichia coli Sesquiterpene biosynthesis FS farnesene synthase 催化 催化FPP生成α-或β-farnesene。
Escherichia coli Sesquiterpene biosynthesis BIS bisabolene synthase 催化 催化FPP生成bisabolene。
Escherichia coli Sesquiterpene biosynthesis QHS1 β-caryophyllene synthase 催化 催化FPP生成β-caryophyllene。
Escherichia coli Transport tolC outer membrane protein TolC 转运 外排转运蛋白，过表达可提高amorphadiene和bisabolene产量。
Escherichia coli Transport macAB ABC family transporter MacAB 转运 与TolC协同增加产物外排。
Escherichia coli Energy metabolism ppk polyphosphate kinase 能量供给 表达可增加ATP供给，amorphadiene产量提高2.5倍。
Saccharomyces cerevisiae MVA pathway tHMG1 truncated HMG-CoA reductase 催化 过表达可显著提高FPP供给。
Saccharomyces cerevisiae MVA pathway ERG20 farnesyl diphosphate synthase 催化 编码FPP合酶，过表达增加FPP。
Saccharomyces cerevisiae Sterol biosynthesis ERG9 squalene synthase 催化 催化FPP→squalene，下调或敲除以减少竞争。
Saccharomyces cerevisiae MVA pathway UPC2 transcription factor UPC2 调控 突变体可上调MVA途径基因表达。
Saccharomyces cerevisiae Sesquiterpene biosynthesis BIS bisabolene synthase 催化 替换ADS或额外表达，生产bisabolene。
Saccharomyces cerevisiae Sesquiterpene biosynthesis FS farnesene synthase 催化 过表达生产farnesene，可与tHMG1融合。
Saccharomyces cerevisiae Central carbon metabolism ADA aldehyde dehydrogenase acylating 催化 重编程乙酰-CoA合成，减少ATP需求。
Saccharomyces cerevisiae Central carbon metabolism xPK xylulose-5-phosphate phosphoketolase 催化 参与非氧化戊糖磷酸途径，改善碳流。
Saccharomyces cerevisiae Redox metabolism GDH1 NADP-dependent glutamate dehydrogenase 调控 替换GDH2可增加NADPH供给，提高倍半萜产量。
Bacillus subtilis MEP pathway dxs 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase 催化 过表达促进MEP途径。
Bacillus subtilis MEP pathway idi isopentenyl diphosphate isomerase 催化 过表达增强IPP供给。
Corynebacterium glutamicum Sesquiterpene biosynthesis CVS valencene synthase 催化 表达(+)-valencene合酶，需提供ispA或ERG20。
Lactococcus lactis MVA pathway mvk mevalonate kinase 催化 过表达增加倍半萜前体。
Synechococcus elongatus PCC 7942 MEP pathway dxs 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase 催化 过表达增强MEP途径，提高farnesene和amorphadiene产量。
Anabaena sp. PCC 7120 MEP pathway coFS farnesene synthase 催化 利用光合作用直接转化CO2生成farnesene。
Yarrowia lipolytica MVA pathway tHMG1 truncated HMG-CoA reductase 催化 过表达提高FPP供给，用于farnesene生产。
Rhodosporidium toruloides Sesquiterpene biosynthesis BIS bisabolene synthase 催化 表达生产bisabolene，在生物反应器中达680 mg/L。

关键发现

  1. 在E. coli中，通过异源MVA途径和发酵优化，amorphadiene最高产量达29.7 g/L
  2. β-farnesene在实验室生物反应器中达8740 mg/L
  3. 通过群体感应调控或蛋白组学指导优化，bisabolene产量分别达1.1 g/L和1150 mg/L
  4. 共表达G6PH、GPPS2和QHS1使β-caryophyllene达1520 mg/L
  5. 补充乙酰乙酸锂使α-humulene达958 mg/L。敲除PTS基因使amorphadiene提高到182 mg/L，动态调控MVA途径使amorphadiene达1.4 g/L。在S. cerevisiae中，过表达tHMG1和下调ERG9使amorphadiene达153 mg/L，通过重编程中心碳代谢和辅因子工程使farnesene产量超过130 g/L
  6. 替换GDH1使倍半萜产量从11.3 mg/L增至30.1 mg/L。

研究结论

微生物发酵结合代谢工程策略能够经济可行地生产多种高价值倍半萜，但进一步提高产量和降低成本仍需在菌株优化、途径精细调控和发酵工艺放大等方面持续努力。

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