Central metabolic nodes for diverse biochemical production
- 作者
- Lauren T Cordova, Hal S Alper
- 单位
- Institute for Cellular and Molecular Biology, The University of Texas at Austin; McKetta Department of Chemical Engineering, The University of Texas at Austin
- 杂志
- Current Opinion in Chemical Biology（2016）
- DOI
- 10.1016/j.cbpa.2016.08.025
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用中心碳代谢中高度连接的五个关键代谢节点（丙酮酸、柠檬酸、酪氨酸、天冬氨酸和乙酰辅酶A）作为前体，微生物合成多种燃料、化学品和药物。
研究策略
系统综述关键代谢节点衍生产物的代谢工程策略，重点总结乙酰辅酶A节点及其连接的多条合成途径（脂肪酸、萜类、聚酮等）。
研究路线图
核心内容
该综述聚焦于中心碳代谢中五个高度连接的节点（丙酮酸、柠檬酸、酪氨酸、天冬氨酸和乙酰辅酶A），探讨如何利用这些共享前体通过代谢工程手段合成多种燃料、化学品和药物。文章系统梳理了各节点下游的合成途径，尤其详述了乙酰辅酶A节点连接脂肪酸、萜类和聚酮等多条路线，并强调代谢网络的“小世界”特性使得模块化改造和基因组编辑能够实现“即插即用”式菌株开发。关键结果涵盖广泛：乳酸在酿酒酵母中达117 g/L，在米根霉固定化培养中达231 g/L；紫杉二烯在大肠杆菌中达1020 mg/L；柠檬酸在解脂耶氏酵母中达77.9 g/L；青蒿酸和amorpha-4,11-二烯分别达25 g/L和40 g/L。这些数据表明，集中改造少数中心节点即可高效生产多种工业相关产品，代谢网络的互联性显著加速了产品多样化。该工作提示，未来借助CRISPR等工具，可将类似策略扩展到非模式宿主，进一步拓宽生物基化学品的生产范围。
创新点
强调通过代谢网络的‘小世界’特性，利用模块化工程和基因组编辑工具，实现从共享前体到多种产品的‘即插即用’式菌株开发。
研究对象（24）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 乳酸发酵 | — | 乳酸脱氢酶 | 催化 | 引入乳酸脱氢酶并调节胞质NADH氧化还原，2 L生物反应器中乳酸产量达117 g/L |
| Rhizopus oryzae | 乳酸发酵 | — | — | 催化 | 海绵状立方颗粒固定化细胞，乳酸产量231 g/L |
| Escherichia coli | 异戊二烯/萜类途径 | — | — | 催化 | 优化异戊二烯途径，紫杉二烯产量1020 mg/L |
| Escherichia coli | 缬氨酸途径 | — | — | 催化 | 通过缬氨酸途径生产异丁醇，产量22 g/L |
| Escherichia coli | 酯合成途径 | — | — | 催化 | 异丁基乙酸酯19.7 g/L，异丁基丁酸酯27.1 mg/L |
| Escherichia coli; Saccharomyces cerevisiae | 脂肪酸酯合成 | — | — | 催化 | 短链脂肪酸酯在两种宿主中分别达1007 mg/L和25.4 mg/L |
| Yarrowia lipolytica | 柠檬酸合成 | — | 菊粉酶 | 催化 | 表面展示菊粉酶降解菊粉，柠檬酸产量77.9 g/L |
| Yarrowia lipolytica | 衣康酸合成 | — | 顺乌头酸脱羧酶 | 催化 | 两步法从柠檬酸生成衣康酸，产量4.6 g/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 莽草酸途径/酪氨酸途径 | — | 异源莽草酸途径酶 | 催化 | 引入异源途径和敲除副产物酶，p-香豆酸1.93 g/L |
| Escherichia coli | 酪氨酸/黄酮途径 | — | — | 催化 | 柚皮素29-100 mg/L；黄烷-3-醇40.7 mg/L；山柰酚鼠李糖苷57 mg/L |
| Escherichia coli | 天冬氨酸衍生物途径 | — | 来自乳酸乳球菌和酿酒酵母的两个酶 | 催化 | 从天冬氨酸合成2-酮丁酸，进而生产丙醇和丁醇各1 g/L |
| Escherichia coli | 天冬氨酸→3-氨基丙酸 | — | — | 催化 | 单步酶转化，产量32.3 g/L |
| Escherichia coli | 脂肪酸合成 | — | — | 催化 | 模块化途径工程，脂肪酸产量8.6 g/L |
| Yarrowia lipolytica | 脂肪酸合成 | — | — | 催化 | 高产脂肪酸达85 g/L |
| Yarrowia lipolytica | 脂氧合酶途径 | — | 大豆脂氧合酶 | 催化 | 正戊烷产量4.98 mg/L |
| Escherichia coli | 逆转β-氧化 | — | — | 催化 | 戊烷2.8 mg/L，庚烷4.3 mg/L |
| Escherichia coli | 脂肪醇合成 | — | 硫酯酶、酰基-CoA还原酶、醛还原酶 | 催化 | 过量表达三种酶，十二醇/十四醇产量1.55 g/L |
| Clostridium tyrobutyricum | 丁醇发酵 | — | — | 调控 | 删除乙酸和丁酸合成基因，正丁醇产量16 g/L |
| Escherichia coli | 甲羟戊酸途径 | — | — | 催化 | 通过IPP旁路生产异戊烯醇1.0 g/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 聚酮合成途径 | — | — | 催化 | 过量表达乙酰辅酶A前体和NADPH，三乙酸内酯最高5.2 g/L |
| Burkholderia sp. | 天然产物合成 | — | P450细胞色素fr6R | 催化 | 结合培养基优化，thailanstatin产量2.5 g/L |
| Escherichia coli | 甲羟戊酸途径/萜类 | — | — | 催化 | 青蒿酸产量25 g/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸途径/萜类 | — | — | 催化 | amorpha-4,11-二烯40 g/L；原人参二醇1.12 g/L；达玛烯二醇1.55 g/L；米曲二烯365 mg/L |
| Yarrowia lipolytica | 多不饱和脂肪酸合成 | — | 去饱和酶和延长酶 | 催化 | 二十碳五烯酸达干细胞重量15% |
关键发现
- 乳酸在酿酒酵母中达117 g/L，在米根霉固定化培养下达231 g/L
- 紫杉二烯在E. coli中达1020 mg/L
- 异丁醇22 g/L
- 异丁基乙酸酯19.7 g/L
- 脂肪酸短链酯在酿酒酵母中25.4 mg/L、在E. coli中1007 mg/L
- 柠檬酸在解脂耶氏酵母中77.9 g/L
- 衣康酸4.6 g/L
- p-香豆酸1.93 g/L
- 柚皮素100.6 mg/L
- 丙醇和丁醇各1 g/L
- 3-氨基丙酸32.3 g/L
- 脂肪酸在E. coli中8.6 g/L、在耶氏酵母中85 g/L
- EPA占干细胞重15%
- 戊烷4.98 mg/L
- 庚烷4.3 mg/L
- 脂肪醇1.55 g/L
- 丁醇16 g/L
- 异戊烯醇1 g/L
- 三乙酸内酯5.2 g/L
- thailanstatin 2.5 g/L
- 青蒿酸25 g/L
- amorpha-4,11-二烯40 g/L
- 原人参二醇1.12 g/L
- 达玛烯二醇1.55 g/L
- 米曲二烯365 mg/L。
研究结论
研究表明，通过集中改造少数中心代谢节点，可以高效生产多种工业相关的生物基化学品；代谢网络的互联性使得产品多样化更加快速，未来借助CRISPR等工具可扩展到非模式宿主。