Metabolic engineering of microorganisms: general strategies and drug production
- 作者
- Sang Yup Lee, Hyun Uk Kim, Jin Hwan Park, Jong Myung Park, Tae Yong Kim
- 单位
- Metabolic and Biomolecular Engineering National Research Laboratory, Department of Chemical and Biomolecular Engineering (BK21 program), Center for Systems and Synthetic Biotechnology, Institute for the BioCentury, KAIST; BioProcess Engineering Research Center, KAIST; Department of Bio and Brain Engineering and Bioinformatics Research Center, KAIST
- 杂志
- Drug Discovery Today（2008）
- DOI
- 10.1016/j.drudis.2008.08.004
- 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
许多天然来源的药物及药物前体难以化学合成或从自然资源中大量提取，需要开发高效的微生物生产策略。
研究策略
综述了微生物代谢工程的一般策略，包括宿主选择、基因操作（过表达/敲除/调控回路）、利用高通量组学数据、计算模拟预测工程靶点、以及考虑整体生物过程（发酵、回收、纯化）。并以青蒿素前体、苄基异喹啉生物碱和L-缬氨酸等为例说明系统代谢工程的应用。
核心内容
该文系统综述了代谢工程在药物及药物前体微生物生产中的一般策略与应用。作者从宿主选择、基因操作（过表达、敲除及调控回路）、高通量组学数据利用和计算模拟预测工程靶点等层面，讨论了系统代谢工程的设计思路，并强调全细胞水平优化、组合生物合成、调控元件工程及多菌株共培养等前沿手段。代表性案例包括：通过基因组规模敲除模拟预测三个靶点，使L-缬氨酸产量提高148.7%；在酿酒酵母中引入肠沙门氏菌乙醛脱氢酶和乙酰辅酶A合成酶，使紫穗槐二烯产量提升22.5%；利用大肠杆菌与酿酒酵母模块化共培养合成苄基异喹啉生物碱（如magnoflorine）；在变铅青链霉菌中异源生产达托霉素，并通过失活竞争性基因簇和优化培养基实现产量改善；另有λ-Red介导的组合生物合成获得多种具有抗菌活性的达托霉素类似物。这些结果表明，将计算模拟与组学数据整合的系统代谢工程正成为复杂天然药物生产的重要平台，有望替代传统植物和动物来源的提取工艺，推动手性药物的高效微生物制造。
创新点
强调系统代谢工程（全细胞水平设计）、组合生物合成、调控元件工程（如TIGRs）、基因组规模计算模拟与组学分析相结合的非直观靶点预测。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | L-缬氨酸生物合成 | L-valine biosynthetic operon | — | 催化 | 通过敲除竞争途径（L-异亮氨酸、L-亮氨酸、泛酸合成）并解除反馈抑制和转录衰减，结合转录组分析和计算机模拟敲除预测三个基因靶点，产量提高至148.7%。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸途径及青蒿素前体生物合成 | tHMGR, upc2-1, ADS, CYP71AV1, CPR | 截短型3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶, 全局转录因子Upc2-1, 紫穗槐二烯合酶, 细胞色素P450单加氧酶, 细胞色素P450氧化还原酶 | 催化 | 过表达tHMGR和upc2-1增加FPP前体，下调鲨烯合酶；异源表达ADS和CYP71AV1/CPR生产青蒿酸。过表达乙醛脱氢酶和乙酰辅酶A合成酶使amorphadiene产量提高22.5%。 |
| Escherichia coli | 苄基异喹啉生物碱生物合成 | MAO, NCS, 6OMT, CNMT, 4'OMT | 单胺氧化酶, 去甲乌药碱合酶, 去甲乌药碱6-O-甲基转移酶, 乌药碱N-甲基转移酶, 3'-羟基-N-甲基乌药碱4'-O-甲基转移酶 | 催化 | 在大肠杆菌中构建(S)-网状番荔枝碱合成途径，以多巴胺为底物生产(S)-网状番荔枝碱，供与酿酒酵母共培养生产下游生物碱。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 苄基异喹啉生物碱生物合成 | CYP80G2, CNMT, BBE | corytuberine合酶（CYP80G2）, 乌药碱N-甲基转移酶, 小檗碱桥酶 | 催化 | 在大肠杆菌和酿酒酵母共培养体系中，异源表达不同基因组合分别生产magnoflorine或(S)-scoulerine。 |
| Streptomyces lividans | 达托霉素生物合成 | dpt gene cluster, act (actinorhodin cluster) | 非核糖体肽合成酶 | 催化 | 异源表达达托霉素生物合成基因簇，失活放线紫红素基因簇以利于检测和纯化，并通过添加磷酸盐优化培养基。 |
| Streptomyces roseosporus | 达托霉素生物合成 | dptBC, dptD | 非核糖体肽合成酶 | 催化 | 利用λ-Red介导的重组替换dptBC和dptD特定结构域，组合产生达托霉素类似物文库，获得高效力变体。 |
| Saccharopolyspora erythraea | 红霉素A生物合成 | eryK, eryG | P450羟化酶, S-腺苷甲硫氨酸依赖性O-甲基转移酶 | 催化 | 以3:2的拷贝数比例过表达eryK和eryG，提高红霉素A的纯度和产量。 |
| Aspergillus terreus | 洛伐他汀生物合成 | — | — | 调控 | 通过转录组和代谢组谱的统计分析鉴定关键基因，调控洛伐他汀生产。 |
关键发现
- 通过基因组规模敲除模拟预测三个基因敲除靶点，使L-缬氨酸产量提高到148.7%。
- 在酿酒酵母中过表达乙醛脱氢酶和乙酰辅酶A合成酶（来自肠沙门氏菌），amorphadiene产量提高22.5%。
- 通过工程化大肠杆菌和酿酒酵母共培养生产苄基异喹啉生物碱（如magnoflorine和(S)-scoulerine），展示了模块化共培养策略。
- 在变铅青链霉菌中异源生产达托霉素，通过失活放线紫红素基因簇和优化培养基（添加磷酸盐）实现改进。
- 通过组合生物合成（λ-Red介导的基因替换）生产达托霉素类似物，获得多种具有抗菌活性的脂肽。
研究结论
代谢工程，特别是系统代谢工程，正在成为药物和药物前体开发与生产的重要平台。随着组学技术和计算模拟的整合，微生物将能够高效生产结构复杂、手性药物分子，并替代传统植物或动物来源的生产系统。