高级醇 · 代谢工程文献库

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Genetic Engineering of Escherichia coli W for Linalool Production Using Beet Juice as the Sole Carbon Source

作者
Matthew Mckillop, Taufiq Nawaz, Liping Gu, Shah Fahad, Ewumbua Monono, Ruanbao Zhou
单位
South Dakota State University; North Dakota State University
杂志
Applied Biochemistry and Biotechnology（2025）
DOI
10.1007/s12010-025-05439-2
所属领域
代谢工程
关键词
Sucrose utilizationSugar beet applicationSynthetic biologyTerpene alcohol
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解决的核心问题

芳樟醇传统植物提取成本高、产量低、受季节性制约，需要寻找可持续、经济的微生物生产方法，利用低成本甜菜汁作为碳源。

研究策略

将含有芳樟醇合酶基因(LinS)和DXP操纵子（DXS、IDI、GPPS）的质粒pZR1464转化到大肠杆菌W中，以甜菜汁中的蔗糖为唯一碳源，通过内源MEP途径合成芳樟醇，并通过增强限速酶表达提高产量。

研究路线图

100%
研究问题：芳樟醇传统提取成本高、产量低、受季节制约
策略：构建质粒pZR1464（LinS + DXP操纵子）转化大肠杆菌W，以甜菜汁为唯一碳源
关键改造1：利用内源cscB/cscA转运与分解蔗糖，实现甜菜汁碳源利用
关键改造2：共表达LinS（来自挪威云杉）催化GPP→芳樟醇
关键改造3：DXP操纵子强化MEP途径限速酶表达
结果：72h产芳樟醇141.6 μmol，最高50 mg L−1 day−1 OD600−1（较pZR808提高3-10倍）
结果补充：蔗糖转化效率48h达94.34 μmol/mol；工程菌与对照生长无显著差异
结论：DXP操纵子强化MEP途径显著提高芳樟醇产量且不影响生长，奠定可持续工业级生产基础
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核心内容

研究者通过代谢工程改造大肠杆菌W，以甜菜汁作为唯一碳源实现了芳樟醇的可持续生物合成。将含有芳樟醇合酶基因LinS及DXP操纵子（DXS、IDI、GPPS）的质粒pZR1464转化入宿主菌，利用甜菜汁中的蔗糖驱动内源MEP途径合成芳樟醇，并通过共表达限速酶强化代谢流。实验表明，工程菌在72小时累积产量达141.6 μmol芳樟醇，最高产率为50 mg L⁻¹ day⁻¹ OD600⁻¹，较仅表达LinS的对照菌株提升3至10倍；蔗糖转化效率从24小时的27.28 μmol/mol上升至48小时的94.34 μmol/mol，随后回落。生长曲线显示工程菌与对照菌无显著差异，证明额外代谢负担未抑制菌株生长。该策略以低成本农业副产物替代传统植物提取原料，显著提高了产量且不影响细胞活力，为工业级芳樟醇的绿色生产提供了可行路径，后续引入MVA途径或优化LinS可能进一步释放合成潜力。

创新点

首次利用甜菜汁作为唯一碳源在大肠杆菌W中生产芳樟醇；通过共表达DXP操纵子强化MEP途径，使芳樟醇产量提高3-10倍；证实工程菌株生长不受代谢负担影响。

研究对象（6）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Escherichia coli W (ATCC 9637) MEP pathway (methylerythritol phosphate pathway) LinS linalool synthase 催化 来自Picea abies (挪威云杉)，催化GPP转化为芳樟醇
Escherichia coli W MEP pathway DXS 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase 催化 DXP操纵子中的限速酶
Escherichia coli W MEP pathway IDI isopentenyl diphosphate isomerase 催化 DXP操纵子中的限速酶
Escherichia coli W MEP pathway GPPS geranyl diphosphate synthase 催化 DXP操纵子中的限速酶，生成GPP
Escherichia coli W 蔗糖代谢 cscB sucrose transporter 转运 内源蔗糖转运蛋白，负责摄取蔗糖
Escherichia coli W 蔗糖代谢 cscA invertase 催化 内源转化酶，将蔗糖分解为葡萄糖和果糖

关键发现

  1. 工程菌E. coli W(pZR1464)通过共表达LinS和DXP操纵子，以甜菜汁为唯一碳源，72h累积产生141.6 μmol芳樟醇
  2. 最高产量达50 mg L−1 day−1 OD600−1，比仅含LinS的pZR808菌株高3-10倍
  3. 蔗糖转化效率从24h的27.28 μmol/mol提高到48h的94.34 μmol/mol，随后在72h降至68.22 μmol/mol
  4. 24h内消耗约1.44 mmol蔗糖用于生物量
  5. 生长曲线显示工程菌与对照菌生长无显著差异。

研究结论

通过基因改造E. coli W(pZR1464)实现了以甜菜汁为唯一碳源的高效芳樟醇生物合成，证明了DXP操纵子强化MEP途径能显著提高产量，且不影响菌株生长，为可持续工业级芳樟醇生产奠定了基础；未来引入MVA途径或更高效的LinS可进一步提升产量。