Metabolic engineering of microorganisms for the synthesis of plant natural products
- 作者
- Jan Marienhagen, Michael Bott
- 单位
- Institut für Bio- und Geowissenschaften, IBG-1: Biotechnologie, Forschungszentrum Jülich, D-52425 Jülich, Germany
- 杂志
- Journal of Biotechnology（2012）
- DOI
- 10.1016/j.jbiotec.2012.06.001
- 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
植物天然产物在自然来源中含量低、化学合成不经济，急需开发微生物细胞工厂实现其高效、可持续生产
研究策略
综述利用代谢工程和合成生物学方法，在微生物中异源表达植物来源的生物合成途径，通过平衡前体供应、模块化与组合工程优化代谢网络，以及蛋白质工程改进酶性能
研究路线图
核心内容
该研究系统综述了通过代谢工程与合成生物学手段在微生物中异源合成植物天然产物的进展。作者总结了多种策略，包括平衡前体供应、模块化与组合途径工程、蛋白质工程改进酶性能，以及近年来发展的多变量模块化途径工程、融合蛋白、染色体基因高拷贝系统和多重基因组工程等创新方法。在具体成果方面，青蒿素前体青蒿酸在酵母高密度补料分批发酵中达2.5 g/L，紫杉二烯在大肠杆菌中经多变量模块化工程达到约1 g/L，异戊二烯在蓝藻中产率达50 mg/g DCW/day，番茄红素工程菌株经多重基因组工程获得5倍提高，柚皮素经优化后产量达474 mg/L。这些案例表明，微生物细胞工厂已能实现多种植物天然产物的异源生产，但产量和成本仍待优化，未来需整合系统生物学工具以构建更高效稳定的生产体系。
创新点
系统总结了多变量模块化途径工程、融合蛋白（如4CL:STS）、染色体基因高拷贝系统（CIChe）、多重基因组工程（MAGE）、全基因组代谢模型指导（FSEOF）等新策略在植物天然产物微生物生产中的应用
研究对象（19）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis sp. PCC6803 | MEP pathway | isoprene synthase (Pueria montana) | isoprene synthase | 催化 | 利用光合作用从CO₂和H₂O合成异戊二烯，产量50 mg/g DCW/day |
| Escherichia coli | MEP pathway | isoprene synthase (Populus nigra), dxs/dxr (Bacillus subtilis) | isoprene synthase, DXS, DXR | 催化 | 补料分批培养中异戊二烯积累314 mg/L |
| Escherichia coli | MVA pathway (Saccharomyces cerevisiae) | isoprene synthase (Populus alba) | isoprene synthase | 催化 | 与异源MVA通路联用，补料分批产532 mg/L异戊二烯 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA pathway / sesquiterpene biosynthesis | ADS (Artemisia annua) | amorphadiene synthase | 催化 | 催化FPP环化生成amorpha-4,11-diene，初始产量600 μg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA pathway / artemisinic acid biosynthesis | AMO, CPR (Artemisia annua) | amorphadiene oxidase, cytochrome P450 reductase | 催化 | 催化amorpha-4,11-diene氧化为青蒿酸，产量达2.5 g/L（高密度补料分批） |
| Escherichia coli | MVA pathway | ADS, AMO, CPR; P450BM3 variant | amorphadiene synthase/oxidase, CPR, engineered P450BM3 | 催化 | 工程P450BM3生产artemisinic-11S,12-epoxide达250 mg/L；优化菌株amorpha-4,11-diene平均产量27.4 g/L |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA pathway / diterpene biosynthesis | GGPPS (Sulfolobus acidocaldarius), TS (Taxus chinensis) | geranylgeranyl pyrophosphate synthase, taxadiene synthase | 催化 | 从IPP/DMAPP合成taxa-4(5),11(12)-diene，摇瓶48 h达8.7 mg/L |
| Escherichia coli | MVA pathway + taxadiene biosynthesis | GGPPS, TS, taxadiene 5α-hydroxylase | GGPPS, TS, P450 taxadiene 5α-hydroxylase (fusion with CPR) | 催化 | 多变量模块化工程，taxa-4(5),11(12)-diene约1 g/L；延伸产物taxa-4(20),11(12)-dien-5α-ol但产量降低 |
| Escherichia coli | MEP pathway / carotenoid biosynthesis | lycopene biosynthesis genes (crtE, crtB, crtI 等) | phytoene synthase, phytoene desaturase, lycopene cyclase | 催化 | 组合筛选菌株24 h内积累16 mg/g CDW；MAGE改造24个基因获得5倍提高 |
| Saccharomyces cerevisiae | phenylpropanoid pathway | PAL (来源未指定), C4H | phenylalanine ammonia-lyase, cinnamate 4-hydroxylase | 催化 | 首次在酵母中从L-苯丙氨酸合成对香豆酸 |
| Escherichia coli | tyrosine metabolism / p-hydroxystyrene biosynthesis | TAL (Rhodotorula glutinis), DEC (Lactobacillus plantarum) | tyrosine ammonia-lyase, p-coumaric acid decarboxylase | 催化 | 从酪氨酸一步合成对香豆酸，再脱羧生成p-羟基苯乙烯，最高0.4 g/L但产物毒性限制 |
| Pseudomonas putida S12 | tyrosine metabolism / p-hydroxystyrene biosynthesis | PAL/TAL (Rhodospiridium toruloides), DEC (Lactobacillus plantarum) | bifunctional phenylalanine/tyrosine ammonia-lyase, p-coumaric acid decarboxylase | 催化 | 水-癸醇两相发酵，水相1.2 mM，1-癸醇相147 mM（17.6 g/L）p-羟基苯乙烯 |
| Escherichia coli | phenylpropanoid/flavonoid biosynthesis | TAL, 4CL, CHS, CHI (植物来源) | tyrosine ammonia-lyase, 4-coumaroyl CoA ligase, chalcone synthase, chalcone isomerase | 催化 | 从葡萄糖合成柚皮素29 mg/L；抑制脂肪酸合成后84 mg/L；组合优化后474 mg/L |
| Escherichia coli | malonyl-CoA metabolism | acetyl-CoA carboxylase α/β, biotin ligase, acetyl-CoA synthetase (Nocardia farcinica) | ACCα, ACCβ, BirA, ACS | 催化 | 增加丙二酰辅酶A供应，提高黄酮合成；过量表达相关基因使丙二酰辅酶A水平提高4倍 |
| Escherichia coli | flavanone modification | F3H (Arabidopsis thaliana), 7-OMT (Streptomyces avermitilis) | flavanone 3-hydroxylase, 7-O-methyltransferase | 催化 | 从对香豆酸产7-OMA 2.7 mg/L，从柚皮素产30 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | phenylpropanoid/stilbene biosynthesis | 4CL (Populus trichocarpa × deltoides), STS (Vitis vinifera) | 4-coumaroyl CoA ligase, stilbene synthase | 催化 | 4CL:STS融合蛋白（Gly-Ser-Gly连接）使白藜芦醇产量达5.15 mg/L，而单独表达仅0.65 mg/L |
| Escherichia coli | benzylisoquinoline alkaloid (BIA) biosynthesis | MAO (Micrococcus luteus), 4个来自Coptis japonica的BIA基因 | monoamine oxidase, norcoclaurine synthase, 等 | 催化 | 从5 mM多巴胺生产(S)-reticuline，产量55 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | BIA biosynthesis | CYP80G2, BBE (植物来源) | cytochrome P450 monooxygenase CYP80G2, berberine bridge enzyme | 催化 | 与E. coli共培养，从(S)-reticuline合成magnoflorine 7.2 mg/L、scoulerine 8.3 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | BIA biosynthesis | norcoclaurine synthase, 等 (Thalictrum flavum, Papaver somniferum, 人P450) | norcoclaurine synthase, (R,S)-reticuline相关酶 | 催化 | 从(R,S)-norlaudanosoline生产(R,S)-reticuline，产量达150 mg/L；下游延伸合成scoulerine等 |
关键发现
- 综述了多种植物天然产物的微生物合成进展。异戊二烯：Synechocystis中达50 mg/g DCW/day
- E. coli中经MEP途径达314 mg/L，经外源MVA途径达532 mg/L。青蒿素前体青蒿酸：酵母中摇瓶产量250 mg/L、生物反应器1 g/L，高密度补料分批发酵达2.5 g/L
- amorpha-4,11-diene在E. coli中达27.4 g/L。紫杉二烯：酵母中8.7 mg/L，E. coli中经多变量模块化工程达约1 g/L。番茄红素：工程菌株于24 h内积累16 mg/g CDW，MAGE获得5倍提高。bisabolene：E. coli中>900 mg/L。p-羟基苯乙烯：P. putida两相发酵中，水相1.2 mM，1-癸醇相147 mM（17.6 g/L）。柚皮素：从葡萄糖合成29 mg/L，抑制脂肪酸合成后84 mg/L，优化后474 mg/L。leucocyanidin和(+)-catechin分别达817 mg/L和39 mg/L。7-OMA从对香豆酸合成2.7 mg/L，从柚皮素合成30 mg/L。白藜芦醇：酵母中融合蛋白策略5.15 mg/L，E. coli中2.39 mg/L。苄基异喹啉生物碱：(S)-reticuline在E. coli中55 mg/L，在酵母中150 mg/L
- magnoflorine和scoulerine在共培养中分别达7.2和8.3 mg/L。
研究结论
微生物代谢工程已能实现多种植物天然产物的异源合成，但产量和成本仍需优化，未来需整合系统生物学和合成生物学工具进一步构建高效、稳定的细胞工厂。