Engineering Chlorophyll, Bacteriochlorophyll, and Carotenoid Biosynthetic Pathways in Escherichia coli
- 作者
- Guangyu E. Chen, C. Neil Hunter
- 单位
- State Key Laboratory of Microbial Metabolism, School of Life Sciences and Biotechnology, Shanghai Jiao Tong University; School of Biosciences, University of Sheffield
- 杂志
- ACS Synthetic Biology（2023）
- DOI
- 10.1021/acssynbio.3c00237
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
在大肠杆菌中异源组装完整的细菌叶绿素a生物合成途径，并实现与类胡萝卜素等多种光合色素的共合成。
研究策略
通过模块化共表达来自蓝藻、紫色光合细菌和泛菌的多个基因，利用大肠杆菌内源原卟啉IX，引入镁螯合酶等步骤，并以黑暗型原叶绿素酸酯还原酶（DPOR）替代光依赖型POR，同时引入类胡萝卜素合成模块，构建能同时合成叶绿素/细菌叶绿素和类胡萝卜素的大肠杆菌菌株。
核心内容
本研究在大肠杆菌C43(DE3)中通过模块化共表达来自蓝藻、紫色光合细菌和泛菌的多个基因，成功组装了完整的细菌叶绿素a生物合成途径，共涉及18个基因。研究者利用大肠杆菌内源原卟啉IX为底物，引入镁螯合酶等酶促步骤，并以黑暗型原叶绿素酸酯还原酶（DPOR）替代光依赖型POR，从而实现了光独立的叶绿素a合成。通过将叶绿素/细菌叶绿素合成模块与类胡萝卜素合成模块组合，构建了能同时合成多种光合色素的大肠杆菌菌株。结果显示，B strain累积3204±463个细菌叶绿素a分子/细胞，GB strain累积14056±1843个分子/细胞，而C strain累积839±118个叶绿素a分子/细胞。共合成菌株中，BN strain同时合成BChl a（8887±1074/细胞）和neurosporene（6547±407/细胞），其BChl a产量是单独合成B strain的2.8倍；BB strain则同时合成BChl a和β-胡萝卜素（82795±5166/细胞）。这些结果首次在非光合生物中验证了细菌叶绿素a完整生物合成途径的可行性，并展示了多种光合色素共合成的潜力，为在异养生物中搭建光系统组装平台奠定了重要基础。
创新点
['首次在非光合生物中组装完整的细菌叶绿素a生物合成途径（需18个基因共表达）', '用DPOR替代光依赖型POR，实现光独立的叶绿素a合成', '实现叶绿素/细菌叶绿素与类胡萝卜素（neurosporene、β-胡萝卜素）在同一宿主中的共合成']
研究对象（24）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli C43(DE3) | Chl a and BChl a biosynthesis (shared steps) | chlI | ChlI | 催化 | 镁螯合酶ATPase亚基，来自Synechocystis sp. PCC 6803 |
| Escherichia coli C43(DE3) | Chl a and BChl a biosynthesis (shared steps) | chlD | ChlD | 催化 | 镁螯合酶亚基，来自Synechocystis sp. PCC 6803 |
| Escherichia coli C43(DE3) | Chl a and BChl a biosynthesis (shared steps) | chlH | ChlH | 催化 | 镁螯合酶底物结合亚基，来自Synechocystis sp. PCC 6803 |
| Escherichia coli C43(DE3) | Chl a and BChl a biosynthesis (shared steps) | gun4 | Gun4 | 调控 | 镁螯合酶激活因子，来自Synechocystis sp. PCC 6803 |
| Escherichia coli C43(DE3) | Chl a and BChl a biosynthesis (shared steps) | chlM | ChlM | 催化 | 镁原卟啉IX甲基转移酶，来自Synechocystis sp. PCC 6803 |
| Escherichia coli C43(DE3) | Chl a and BChl a biosynthesis (shared steps) | acsF | AcsF | 催化 | 镁原卟啉IX单甲酯环化酶，来自Rubrivivax gelatinosus |
| Escherichia coli C43(DE3) | Chl a and BChl a biosynthesis (shared steps) | bchN | BchN | 催化 | 黑暗型原叶绿素酸酯还原酶（DPOR）亚基，来自Rhodobacter sphaeroides |
| Escherichia coli C43(DE3) | Chl a and BChl a biosynthesis (shared steps) | bchB | BchB | 催化 | DPOR亚基，来自Rhodobacter sphaeroides |
| Escherichia coli C43(DE3) | Chl a and BChl a biosynthesis (shared steps) | bchL | BchL | 催化 | DPOR亚基，来自Rhodobacter sphaeroides |
| Escherichia coli C43(DE3) | Chlorophyll a biosynthesis | drv | DVR | 催化 | 3,8-二乙烯基叶绿素酸酯a 8-乙烯基还原酶，来自Synechocystis sp. PCC 6803 |
| Escherichia coli C43(DE3) | Chlorophyll a biosynthesis | chlG | ChlG | 催化 | 叶绿素合酶，来自Synechocystis sp. PCC 6803 |
| Escherichia coli C43(DE3) | Chl a and BChl a biosynthesis (shared steps) | chlP | ChlP | 催化 | 香叶基香叶基还原酶，将GG尾还原为植基，来自Synechocystis sp. PCC 6803 |
| Escherichia coli C43(DE3) | BChl a biosynthesis | bchC | BchC | 催化 | 3-羟乙基细菌叶绿素酸酯a脱氢酶，来自Rhodobacter sphaeroides |
| Escherichia coli C43(DE3) | BChl a biosynthesis | bchX | BchX | 催化 | 叶绿素酸酯a氧化还原酶（COR）亚基，来自Rhodobacter sphaeroides |
| Escherichia coli C43(DE3) | BChl a biosynthesis | bchY | BchY | 催化 | COR亚基，来自Rhodobacter sphaeroides |
| Escherichia coli C43(DE3) | BChl a biosynthesis | bchZ | BchZ | 催化 | COR亚基，来自Rhodobacter sphaeroides |
| Escherichia coli C43(DE3) | BChl a biosynthesis | bchF | BchF | 催化 | 3-乙烯基细菌叶绿素酸酯a水合酶，来自Rhodobacter sphaeroides |
| Escherichia coli C43(DE3) | BChl a biosynthesis | bchG | BchG | 催化 | 细菌叶绿素合酶，来自Rhodobacter sphaeroides |
| Escherichia coli C43(DE3) | Isoprenoid precursor biosynthesis (MEP pathway) | dxs | Dxs | 催化 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶，来自E. coli，提供IPP/DMAPP前体 |
| Escherichia coli C43(DE3) | GGPP biosynthesis (for (B)Chl and carotenoids) | crtE | CrtE | 催化 | 香叶基香叶基焦磷酸合酶，来自Rubrivivax gelatinosus |
| Escherichia coli C43(DE3) | Carotenoid biosynthesis (neurosporene) | crtI | CrtI | 催化 | 三步八氢番茄红素脱饱和酶，来自Rhodobacter sphaeroides |
| Escherichia coli C43(DE3) | Carotenoid biosynthesis (β-carotene) | crtI | CrtI | 催化 | 四步八氢番茄红素脱饱和酶，来自Pantoea agglomerans (pAC-BETA) |
| Escherichia coli C43(DE3) | Carotenoid biosynthesis (neurosporene and β-carotene) | crtB | CrtB | 催化 | 八氢番茄红素合酶，来自Rhodobacter sphaeroides和Pantoea agglomerans |
| Escherichia coli C43(DE3) | Carotenoid biosynthesis (β-carotene) | crtY | CrtY | 催化 | 番茄红素β-环化酶，来自Pantoea agglomerans |
关键发现
- ['在大肠杆菌中共表达18个基因成功合成细菌叶绿素a (BChl a)
- ', 'C strain (Chl a) 累积839±118个叶绿素a分子/细胞
- ', 'GB strain (GG-BChl a) 累积14056±1843个分子/细胞
- ', 'B strain (BChl a) 累积3204±463个分子/细胞
- ', 'CN strain同时合成Chl a (415±107/细胞)和neurosporene (3337±1134/细胞)
- ', 'BN strain同时合成BChl a (8887±1074/细胞)和neurosporene (6547±407/细胞)，BChl a产量是B strain的2.8倍
- ', 'BB strain同时合成BChl a (2773±154/细胞)和β-胡萝卜素 (82795±5166/细胞)
- ', '利用DPOR (bchNBL)实现了光依赖型POR的替代，使Chl a合成可在黑暗中完成。']
研究结论
本研究在非光合生物大肠杆菌中成功组装了完整的细菌叶绿素a生物合成途径，验证了BChl a生物合成的相关知识，并展示了通过组合不同色素生物合成模块实现多种光合色素共合成的可行性，为在异养生物中构建光系统组装平台奠定了基础。