高级醇 · 代谢工程文献库

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Mimicking a new 2-phenylethanol production pathway from Proteus mirabilis JN458 in Escherichia coli

作者
Jinbin Liu, Jing Jiang, Yajun Bai, Tai-ping Fan, Ye Zhao, Xiaohui Zheng, Yujie Cai
单位
The Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University; College of Life Sciences, Northwest University; Department of Pharmacology, University of Cambridge
杂志
Journal of Agricultural and Food Chemistry（2018）
DOI
10.1021/acs.jafc.8b00627
所属领域
代谢工程
关键词
2-phenylethanolL-amino acid deaminaseL-phenylalanineProteus mirabiliswhole cells
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解决的核心问题

细菌中天然产2-苯乙醇的菌株极少且产量低，需要构建高效的大肠杆菌重组菌株来模拟奇异变形杆菌的新合成途径，并解决辅因子供应问题

研究策略

在大肠杆菌中异源共表达奇异变形杆菌JN458的L-氨基酸脱氨酶、α-酮酸脱羧酶和醇脱氢酶，并引入枯草芽孢杆菌的葡萄糖脱氢酶构建NADH辅因子再生系统，实现全细胞生物转化L-苯丙氨酸生产2-苯乙醇

研究路线图

100%
研究问题：天然2-苯乙醇菌株少、产量低
策略：大肠杆菌异源共表达PmLAAD、PmKDC、PmADH
关键改造：引入BsGDH构建NADH辅因子再生系统
全细胞催化：重组菌E-pAEAKaG转化L-苯丙氨酸
产量达3.21 g/L，转化率97.38 mol%
结论：模拟新途径成功，辅因子再生系统有效提升产量
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核心内容

该研究在大肠杆菌BL21(DE3)中异源表达了来自奇异变形杆菌JN458的L-氨基酸脱氨酶、α-酮酸脱羧酶和醇脱氢酶，模拟了该菌株天然合成2-苯乙醇的新途径，同时引入枯草芽孢杆菌的葡萄糖脱氢酶构建NADH辅因子再生系统。通过全细胞生物转化L-苯丙氨酸生产2-苯乙醇，重组菌E-pAEAKaG在M9培养基含10 g/L底物、40°C、pH 7.0条件下反应16小时，产量达3.21 ± 0.10 g/L。当L-苯丙氨酸浓度为4 g/L时，产量为2.88 ± 0.18 g/L，转化率高达97.38 mol%。对照实验显示，缺乏辅因子再生系统的菌株仅产0.39 ± 0.03 g/L，而未引入脱氨酶的菌株几乎不产2-苯乙醇，野生型奇异变形杆菌JN458仅产0.08 ± 0.01 g/L。结果表明，葡萄糖脱氢酶介导的辅因子再生系统显著提升了产量，所构建的重组菌在优化条件下兼具高产量和高转化率，为2-苯乙醇的微生物绿色生产提供了可行策略。

创新点

首次验证并模仿奇异变形杆菌JN458合成2-苯乙醇的新途径；在大肠杆菌中构建了基于葡萄糖脱氢酶的辅因子再生系统，显著提高2-苯乙醇产量

研究对象（4）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Escherichia coli BL21(DE3) 2-苯乙醇生物合成途径 PmaLaad PmLAAD 催化 L-氨基酸脱氨酶，催化L-苯丙氨酸脱氨生成苯丙酮酸，来源于Proteus mirabilis JN458
Escherichia coli BL21(DE3) 2-苯乙醇生物合成途径 Pmkdc PmKDC 催化 α-酮酸脱羧酶，催化苯丙酮酸脱羧生成苯乙醛，来源于Proteus mirabilis JN458
Escherichia coli BL21(DE3) 2-苯乙醇生物合成途径 Pmadh PmADH 催化 醇脱氢酶，催化苯乙醛还原生成2-苯乙醇，来源于Proteus mirabilis JN458
Escherichia coli BL21(DE3) 辅因子再生系统 Bsgdh BsGDH 能量供给 葡萄糖脱氢酶，利用葡萄糖和NAD+生成NADH，为PmADH提供还原力，来源于Bacillus subtilis ATCC 13952

关键发现

  1. 重组菌E-pAEAKaG在M9培养基含10 g/L L-苯丙氨酸、40°C、pH
  2. 0条件下经16 h转化，2-苯乙醇产量达3.21 ±
  3. 10 g/L；当L-苯丙氨酸浓度为4 g/L（24 mM）时，2-苯乙醇产量为2.88 ±
  4. 18 g/L，转化率高达97.38 mol%；对照实验中E-pAAK仅产0.03 ±
  5. 02 g/L 2-苯乙醇和0.41 ±
  6. 05 g/L苯乙醛，E-pAEAKa产0.39 ±
  7. 03 g/L 2-苯乙醇，野生型奇异变形杆菌JN458产0.08 ±
  8. 01 g/L

研究结论

成功在大肠杆菌中模拟了奇异变形杆菌JN458的2-苯乙醇合成新途径，辅因子再生系统有效提高了产量；重组菌E-pAEAKaG在优化条件下具有较高的产量和转化率，为2-苯乙醇的绿色生产提供了新策略