Developing fermentative terpenoid production for commercial usage
- 作者
- Michael D Leavell, Derek J McPhee, Chris J Paddon
- 单位
- Amyris, Inc., 5885 Hollis Street, Suite 100, Emeryville, CA 94608, USA
- 杂志
- Current Opinion in Biotechnology（2016）
- DOI
- 10.1016/j.copbio.2015.10.007
- 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
萜类化合物在天然宿主（主要是植物和微生物）中产量低且经济不可行，需要开发基于异源微生物的发酵生产工艺来实现商业化生产。
研究策略
利用代谢工程改造微生物（如酿酒酵母和大肠杆菌）的甲羟戊酸（MVA）或甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径，增强前体（IPP/FPP）供应，并引入或优化萜类合酶及氧化修饰酶，实现目标萜类化合物的高产。
核心内容
该研究系统综述了利用代谢工程和合成生物学手段开发微生物发酵生产萜类化合物以实现商业化的策略与进展。工作核心在于对酿酒酵母和大肠杆菌等底盘生物的甲羟戊酸（MVA）或甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径进行工程改造，增强异戊烯基焦磷酸（IPP）和法尼基焦磷酸（FPP）等前体供给，同时引入或优化萜类合酶及细胞色素P450等氧化修饰酶，从而显著提高目标产物得率。关键结果包括：在酿酒酵母中过表达MVA途径实现青蒿酸25 g/L和无定形二烯40 g/L的高产；通过重构中心碳代谢降低75%氧气需求并提升碳得率；β-法尼烯实现工业化规模生产，蒸馏纯度约98%。此外，大肠杆菌优化MEP途径使紫杉二烯产量达1 g/L，共培养体系生产含氧紫杉烷33 mg/L。这些结果证明代谢工程已使多种萜类产品具备商业可行性，且通过替换终端合酶可基于现有高产平台扩展至檀香油、广藿香油等其他萜类，为植物源高值天然产物的低成本微生物制造奠定了技术基础。
创新点
在酿酒酵母中过表达MVA途径实现青蒿酸25 g/L和无定形二烯40 g/L的高产；通过重构中心碳代谢和MVA途径创建合成代谢途径，降低75%氧气需求并提高碳得率；实现β-法尼烯的工业化生产及下游衍生化。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 甲羟戊酸途径 (MVA pathway) | — | mevalonate pathway enzymes | 催化 | 过表达MVA途径酶以增加法尼基焦磷酸（FPP）供应，用于青蒿素前体生产，artemisinic acid达到25 g/L |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 甲羟戊酸途径 (MVA pathway) | farnesene synthase gene | farnesene synthase | 催化 | 终端酶，将FPP转化为β-法尼烯，产品纯度约98% |
| 大肠杆菌 (Escherichia coli) | 甲基赤藓醇磷酸途径 (MEP pathway) | — | MEP pathway enzymes | 催化 | 优化MEP途径增加萜类通量，taxadiene产量达1 g/L |
| 大肠杆菌与酿酒酵母共培养 | MEP途径（大肠杆菌）+ P450氧化（酵母） | — | cytochrome P450 | 催化 | 共培养生产含氧紫杉烷，产量33 mg/L |
| 未明确（异源表达） | 倍半萜合成 | CYP76F | CYP76F (cytochrome P450) | 催化 | 催化檀香烯氧化为α-檀香醇、β-檀香醇和香柠檬醇 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 倍半萜合成 | — | multifunctional sesquiterpene synthase | 催化 | 生产广藿香醇，产量约20 mg/L |
| 大肠杆菌 (Escherichia coli) | 二萜合成 | — | diterpene synthases | 催化 | 生产香紫苏醇，产量约1.5 g/L |
关键发现
- amorphadiene产量达40 g/L
- artemisinic acid产量达25 g/L
- taxadiene在优化MEP途径的大肠杆菌中产量达1 g/L
- 共培养体系生产含氧紫杉烷33 mg/L
- 广藿香醇在酵母中约20 mg/L
- sclareol在大肠杆菌中约1.5 g/L
- MEP途径理论碳得率30%，MVA途径25%
- β-法尼烯发酵产物经蒸馏纯度约98%。
研究结论
代谢工程使萜类化合物商业化生产成为可能，目前青蒿酸和β-法尼烯已实现工业规模发酵生产，其他如檀香油、广藿香油等也在开发中。通过替换终端合酶，可基于现有高产平台生产多种萜类产品。