Engineered Biosynthesis of Bacteriochlorophyll gF in Rhodobacter sphaeroides
- 作者
- Marcia Ortega-Ramos, Daniel P. Canniffe, Matthew Radle, C. Neil Hunter, Donald A. Bryant, John H. Golbeck
- 单位
- Department of Biochemistry and Molecular Biology, The Pennsylvania State University; Department of Chemistry, The Pennsylvania State University; Department of Molecular Biology and Biotechnology, University of Sheffield; Department of Chemistry and Biochemistry, Montana State University
- 杂志
- Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics（2018）
- DOI
- 10.1016/j.bbabio.2018.02.006
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在异源宿主中工程化合成嗜热杆菌的独特光合色素BChl gF，为在紫色细菌中组装最简单的I型光反应中心（HbRC）提供前提条件。
研究策略
以Rhodobacter sphaeroides为底盘，先构建产生BChl bP的菌株（ΔbciA/bchXYZ^Bv），再依次删除bchF（阻断C3-乙烯基水合）、crtE（减少C20 GGPP供应），并用来自Hba. modesticaldum的bchG替换内源bchG，最后删除bchP（防止法尼基尾巴还原），从而将内源BChl aP生物合成途径和类异戊二烯途径改造成BChl gF合成途径。
核心内容
该研究以紫色光合细菌Rhodobacter sphaeroides为底盘，通过系统改造细菌叶绿素和类异戊二烯两条生物合成途径，首次实现了嗜热杆菌独特光合色素BChl gF的异源工程化合成。研究中依次敲除bciA、bchF和crtE基因，引入来自Heliobacterium modesticaldum的bchG替换内源同源基因，并删除bchP，逐步将内源BChl aP途径重定向为BChl gF合成途径。通过质谱和吸收光谱验证，最终菌株产生的色素与天然BChl gF保留时间和吸收峰完全一致，同时检测到少量8^1-OH-Chl aF副产物。中间实验还证明BchP能够还原法尼基尾巴，且敲除crtE可显著减少C20侧链供应，使WT株仅积累约20%的BChl aP。该工程菌株虽无法光合自养生长，但为在紫色细菌中组装来自Heliobacterium的最简单I型光反应中心提供了关键前体色素平台，也为研究色素-蛋白复合物组装机制和拓展光能捕获范围奠定了基础。
创新点
首次在紫色光合细菌中实现工程化合成BChl gF；通过系统敲除和替换bchF、crtE、bchG、bchP四个基因，将四吡咯和类异戊二烯途径同时改造；证明BchP能还原法尼基尾巴；构建的菌株可作为组装最简单光反应中心的平台。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodobacter sphaeroides | 细菌叶绿素生物合成途径 | bchF | BchF（3-乙烯基-细菌脱镁叶绿酸a水合酶） | 催化 | 催化C3-乙烯基的水合；删除后导致3-乙烯基-细菌脱镁叶绿酸a（3V-BChlide a）积累，在BChl b背景下产生BChl gP。 |
| Rhodobacter sphaeroides | 细菌叶绿素生物合成途径 | bchXYZ | 叶绿素ide a氧化还原酶（COR） | 催化 | 来自Blastochloris viridis的bchXYZ编码CORb，用于生产BChl b；CORb将8V-Chlide a直接还原为BChlide g。 |
| Rhodobacter sphaeroides | 细菌叶绿素生物合成途径 | bciA | 8-乙烯基还原酶（8VR） | 催化 | 删除以消除8-乙烯基还原活性，使C8位保留乙烯基/亚乙基，是产生BChl b/g的必要条件。 |
| Rhodobacter sphaeroides | 类异戊二烯生物合成途径 | crtE | 香叶基香叶基焦磷酸合酶（GGPP合酶） | 催化 | 催化FPP加IPP生成GGPP；删除后减少C20异戊二烯供应，但仍有少量BChl aP/BChl gP产生，说明存在替代途径。 |
| Rhodobacter sphaeroides | 细菌叶绿素生物合成途径 | bchG^Rs | 细菌叶绿素合酶（BchG） | 催化 | 内源BchG优先酯化GGPP（C20）；被来自Hba. modesticaldum的bchG替换。 |
| Heliobacterium modesticaldum | 细菌叶绿素生物合成途径 | bchG^Hm | 细菌叶绿素合酶（BchG） | 催化 | 来源于Hba. modesticaldum，与Rba. sphaeroides BchG仅有39%同源性，优先酯化FPP（C15），也能使用C20底物。 |
| Rhodobacter sphaeroides | 细菌叶绿素生物合成途径 | bchP | 香叶基香叶基还原酶（BchP） | 催化 | 催化C20香叶基香叶基尾巴逐步还原为植基（phytyl）；也能还原C15法尼基尾巴，删除后获得保留法尼基的BChl gF。 |
关键发现
- 在ΔbchF/ΔbciA/bchXYZ^Bv菌株中检测到BChl gP（m/z
- 6，吸收峰752 nm）；敲除crtE后WT积累BChl aTHF（m/z 841）和约20%的BChl aP，但ΔcrtE/ΔbchF/ΔbciA/bchXYZ^Bv仍产生BChl gP；用bchG^Hm替换内源bchG后，WT中BChl aP产量仅为野生型的约15%，在ΔcrtE/ΔbchF/ΔbciA/bchXYZ^Bv背景下产生BChl gTHF（m/z
- 5）；再敲除bchP后，最终菌株ΔbchP/ΔcrtE/ΔbchF/ΔbciA/bchXYZ^Bv/bchG^Hm产生与Hba. modesticaldum天然BChl gF（m/z
- 5）保留时间和吸收光谱完全一致的色素，同时检测到少量8^1-OH-Chl aF。
研究结论
通过联合改造Rba. sphaeroides的细菌叶绿素和类异戊二烯生物合成途径，成功实现了BChl gF的异源生产。该菌株无法光合自养生长，但为后续组装Heliobacterium的I型反应中心（HbRC）奠定了关键基础，也为研究色素-蛋白复合物组装和拓宽光能捕获范围提供了新平台。