Systems biology approach for enhancing limonene yield by re-engineering Escherichia coli
- 作者
- Jasmeet Kaur Khanijou, Yan Ting Hee, Clement P. M. Scipion, Xixian Chen, Kumar Selvarajoo
- 杂志
- npj Systems Biology and Applications（2024）
- DOI
- 10.1038/s41540-024-00440-7
- 所属领域
- 代谢工程/合成生物学
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解决的核心问题
在工程化大肠杆菌中提高柠檬烯产量，解析代谢瓶颈并指导菌株改造。
研究策略
采用系统生物学方法，整合时间序列代谢组学数据（胞内和胞外）和动态代谢模型，结合13C示踪实验，进行全酶计算机模拟敲除和过表达，筛选并验证优化靶点。
核心内容
该研究以大肠杆菌K-12 MG1655为底盘，整合时间序列代谢组学数据、动态代谢模型及13C示踪实验，系统解析柠檬烯生物合成的代谢瓶颈并指导菌株改造。通过全酶计算机模拟敲除与过表达，筛选出三个关键优化靶点：敲除ALDH-ADH、LDH及过表达己糖激酶（HK），在7小时IPTG诱导后分别使柠檬烯产量提高约8倍、11倍和8倍。13C示踪结果显示，碳流主要通过EMP通路（贡献94.5%）和MVA途径（贡献90.6%）流向目标产物，而ED通路及DXP途径贡献较小。模拟ISPH敲除仅导致产量轻微下降，进一步证实DXP途径仍有补充作用。该工作证明将动态模型与多组学实验数据结合，能在系统层面高效识别非直观的代谢改造靶点，为微生物菌株的理性重工程及萜类化合物高效生产提供了可推广的方法论。
创新点
将动态模型与实验代谢组学数据及13C标记实验相结合，在系统层面识别出多个新靶点（ALDH-ADH敲除、LDH敲除、HK过表达），显著提高柠檬烯产量。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli K-12 MG1655 | 糖酵解（EMP） | glk | 己糖激酶（HK） | 催化 | 过表达后柠檬烯产量提高8倍 |
| Escherichia coli K-12 MG1655 | 混合酸发酵 | ldhA | 乳酸脱氢酶（LDH） | 催化 | 敲除后柠檬烯产量提高11倍 |
| Escherichia coli K-12 MG1655 | 混合酸发酵 | adhE | 乙醛脱氢酶/醇脱氢酶（ALDH-ADH） | 催化 | 敲除后柠檬烯产量提高8倍 |
| Escherichia coli K-12 MG1655 | 甲羟戊酸途径（MVA） | atoB | 乙酰-CoA乙酰转移酶（AtoB） | 催化 | MVA途径第一酶，异源表达 |
| Escherichia coli K-12 MG1655 | 甲羟戊酸途径（MVA） | HMGS, HMGR, MK, PMK, PMD, idi | MVA途径下游酶系 | 催化 | 异源MVA通路贡献90.6%异戊二烯前体 |
| Escherichia coli K-12 MG1655 | 脱氧木酮糖磷酸途径（DXP） | ispH | 羟甲基丁烯基-4-二磷酸还原酶（ISPH） | 催化 | 计算机模拟敲除显示柠檬烯产量轻微降低，表明DXP通路有贡献 |
| Escherichia coli K-12 MG1655 | 柠檬烯生物合成 | LS | 柠檬烯合酶（LS） | 催化 | 催化GPP生成柠檬烯 |
| Escherichia coli K-12 MG1655 | 糖酵解（ED） | — | ED途径酶系 | 催化 | ED通路贡献5.5%碳流 |
关键发现
- ALDH-ADH敲除、LDH敲除和HK过表达分别使柠檬烯产量提高约8倍、11倍和8倍（7小时IPTG诱导后）。13C示踪显示EMP通路贡献94.5%，ED通路5.5%
- MVA通路贡献90.6%，DXP通路9.4%。MVAPP在8小时时浓度为0.05±0.02 μM/g DCW。模拟ISPH敲除显示柠檬烯产量轻微降低，表明DXP通路仍有贡献。
研究结论
系统生物学方法结合动态模型可有效识别代谢瓶颈和改造靶点，指导微生物菌株重工程，实现目标产物柠檬烯的高效生产。