Reassessing Escherichia coli as a cell factory for biofuel production
- 作者
- Chonglong Wang, Brian F Pfleger, Seon-Won Kim
- 单位
- School of Biology and Basic Medical Sciences, Soochow University; Department of Chemical and Biological Engineering, University of Wisconsin-Madison; Microbiology Doctoral Training Program, University of Wisconsin-Madison; Division of Applied Life Science (BK21 Plus), PMBBRC, Institute of Agriculture and Life Sciences, Gyeongsang National University
- 杂志
- Current Opinion in Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1016/j.copbio.2017.02.010
- 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
重新评估大肠杆菌作为生物燃料生产细胞工厂的能力，总结其生产醇类、脂肪酸类和萜类生物燃料的代谢途径，并评估调控合成途径和快速组装新菌株的使能技术。
研究策略
综述代谢工程策略，包括构建异源合成途径（如ABE途径、埃利希途径、脂肪酸合成、逆转β-氧化、MEP/MVA途径），运用CRISPR/CRISPRi、RNA干扰、生物传感器、蛋白质支架等合成生物学工具，以及进行宿主耐受性工程改造。
核心内容
该综述系统评估了大肠杆菌作为生物燃料生产细胞工厂的潜力，聚焦醇类、脂肪酸类和萜类三类燃料的代谢工程进展。作者总结了构建异源途径的策略，包括ABE途径、埃利希途径、脂肪酸合成与逆转β-氧化，以及MEP/MVA萜类途径，并重点介绍了CRISPR干扰、RNA调控、生物传感器和蛋白支架等合成生物学工具在途径动态调控和多基因协调表达中的应用。通过上述策略，大肠杆菌实现了异丙醇143 g/L、异丁醇50.9 g/L（产率0.70 g/L/h，产率系数0.29 g/g葡萄糖，优于谷氨酸棒杆菌）、脂肪醇1.95 g/L、异戊二烯超60 g/L（体积产率2 g/L/h）等产量。此外，利用CRISPRi抑制FadR可增加脂肪酸合成，通过外排泵和转录因子工程（如MarA）可提高宿主对香叶醇等产物的耐受性，多种天然磷酸酶和Nudix酶也被重新评价用于萜类醇生产。尽管多数生物燃料尚未达到经济可行产量，但不断发展的合成生物学工具正在实现更复杂的调控与途径组装，使大肠杆菌在生物燃料细胞工厂开发中继续保持优势。
创新点
系统总结了近年来大肠杆菌生产三类生物燃料的代谢工程进展，特别是利用CRISPR干扰、RNA调控、生物传感器和蛋白支架等工具实现途径的动态调控和多基因协调表达；重新评价了多种天然磷酸酶和Nudix酶在萜类醇生产中的作用；讨论了通过外排泵和转录因子工程提高宿主耐受性的策略。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 乙醇合成 | — | 丙酮酸脱羧酶, 乙醇脱氢酶 | 催化 | 来自运动发酵单胞菌的异源乙醇途径，将丙酮酸转化为乙醇 |
| Escherichia coli | 丁醇合成（ABE发酵途径） | — | 硫解酶, 3-羟基丁酰-CoA脱氢酶, 巴豆酸酶, 丁酰-CoA脱氢酶, 醛/醇脱氢酶 | 催化 | 由乙酰-CoA合成丁酰-CoA并最终生成1-丁醇 |
| Escherichia coli | 埃利希途径（高级醇合成） | — | α-酮酸脱羧酶, 醛脱氢酶 | 催化 | 来自酵母的α-酮酸脱羧和醛还原，合成C3-C5醇 |
| Escherichia coli | 脂肪酸合成 | fabH, ybbO | 乙酰-CoA羧化酶, FabH, 硫酯酶, 酰基转移酶, 醛还原酶YbbO, 脱羧酶 | 催化 | 包括脂肪酸合酶、硫酯酶控制链长，YbbO还原脂肪醛为脂肪醇 |
| Escherichia coli | 逆转β-氧化 | atoB, fadB, fadA, ydiO | AtoB, FadB, FadA, YdiO | 催化 | 利用乙酰-CoA延伸酰基链，高效合成脂肪醇和丁醇 |
| Escherichia coli | 萜类合成（MEP/MVA途径） | nudB, nudF, ybjG, pgpB | NudB, NudF, YbjG, PgpB, FPP合酶, 法尼烯合酶 | 催化 | Nudix水解酶水解DMAPP/IPP生产异戊烯醇；磷酸酶YbjG/PgpB水解FPP生产法尼醇；法尼烯合酶催化FPP生成法尼烯 |
| Escherichia coli | 脂肪酸代谢调控 | fadR | FadR | 调控 | 脂肪酸代谢转录调控因子，利用CRISPRi抑制fadR可增加脂肪酸合成并减少β-氧化 |
| Escherichia coli | 萜类耐受性（香叶醇） | marA | MarA | 调控 | 多药抗性激活子，过表达MarA提高大肠杆菌对香叶醇的耐受性 |
| Escherichia coli | 合成生物学工具 | cas9, dcas9 | Cas9, dCas9 | 调控 | CRISPR用于一步整合异丁醇合成基因，dCas9用于CRISPRi抑制fadR或MVA途径基因 |
| Escherichia coli | 生物燃料外排 | tolC | TolC | 转运 | 外膜蛋白，与内膜外排泵形成三组分通道，外排中链醇和萜烯，提高耐受性 |
| Escherichia coli | 萜类合成（MVA途径） | — | 人工蛋白支架 | 区室化 | 通过蛋白支架空间组织MVA途径酶，优化底物通道和代谢通量 |
关键发现
- 通过代谢工程，大肠杆菌可实现异丙醇143 g/L、异丁醇50.9 g/L、1-丁醇30 g/L、脂肪醇1.95 g/L、脂肪烷烃0.58 g/L、脂肪酸酯1.1 g/L、异戊烯醇2.2-2.23 g/L、法尼醇0.53 g/L（摇瓶526.1 mg/L）、红没药烯1.1 g/L、异戊二烯超60 g/L（体积产率2 g/L/h）等产量。其中，异丁醇产率达0.70 g/L/h、产率系数0.29 g/g葡萄糖，优于谷氨酸棒杆菌（13 g/L
- 32 g/L/h
- 20 g/g葡萄糖）。此外，通过优化发酵，法尼烯在酿酒酵母中可达100 g/L以上（2.24 g/L/h），而大肠杆菌异戊二烯产量超60 g/L。使用CRISPRi抑制FadR可增加脂肪酸合成，而调控MVA途径可提高萜类产量。
研究结论
尽管许多生物燃料尚未达到经济可行产量，但不断发展的合成生物学和系统生物学工具正在实现复杂的调控和途径组装策略，这些努力将使大肠杆菌在开发生物燃料生产细胞工厂方面继续保持优势地位。