Type 2 IDI performs better than type 1 for improving lycopene production in metabolically engineered E. coli strains

作者: Sara Abolhassani Rad, Hossein Shahbani Zahiri, Kambiz Akbari Noghabi, Sarah Rajaei, Reza Heidari, Leila Mojallali
杂志: World Journal of Microbiology and Biotechnology（2011）
DOI: 10.1007/s11274-011-0821-4
所属领域: 代谢工程
关键词: E. coliIsopentenyl diphosphate isomerase (IDI)LycopeneMetabolic engineering
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解决的核心问题

比较1型与2型异戊烯基二磷酸异构酶（IDI）在代谢工程大肠杆菌中提高番茄红素产量的效果，并考察辅助碳源对产量的影响。

研究策略

将地衣芽孢杆菌的2型idi基因（i_BI）和大肠杆菌自身的1型idi基因（i_Ec）分别与番茄红素合成基因（crtE、crtI、crtB）构建于同一操纵子，并进一步引入异源甲羟戊酸途径增强IPP供给，在不同碳源条件下比较产量。

研究路线图

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核心内容

该研究比较了1型和2型异戊烯基二磷酸异构酶（IDI）在代谢工程大肠杆菌中提升番茄红素产量的效果，并考察了辅助碳源的影响。研究者将地衣芽孢杆菌的2型idi基因（i_BI）和大肠杆菌自身的1型idi基因（i_Ec）分别与番茄红素合成基因构建于同一操纵子，并引入异源甲羟戊酸途径以增强IPP供给。结果显示，过表达i_Ec使番茄红素产量从33±1 mg/gDCW提升至68±3 mg/gDCW，而过表达i_BI则进一步提高至80±9 mg/gDCW。引入甲羟戊酸途径后，含i_Ec和i_BI的菌株产量分别达132±5和181±9 mg/gDCW，为对照的4倍和5.6倍。添加0.5%柠檬酸时，含i_BI及甲羟戊酸途径的菌株产量最高达198±3 mg/gDCW，而果糖、甘露糖、阿拉伯糖等碳源均不同程度抑制产量。该研究首次证明2型IDI在大肠杆菌中优于1型IDI，并揭示补充柠檬酸是提升异戊二烯化合物积累的可行代谢工程策略。

创新点

首次分离并表达地衣芽孢杆菌的2型IDI用于大肠杆菌番茄红素生产；直接证明2型IDI比1型IDI更有效；发现柠檬酸作为辅助碳源可显著提高番茄红素产量。

研究对象（6）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Escherichia coli DH5α	番茄红素合成途径	crtE, crtI, crtB	GGPP合酶、八氢番茄红素合酶、八氢番茄红素脱氢酶	催化	来自Erwinia herbicola，构建于pTcrEIB及衍生质粒
Escherichia coli DH5α	MEP途径	idiEc	1型异戊烯基二磷酸异构酶（IDI）	催化	大肠杆菌内源idi基因，过表达促进IPP/DMAPP异构化
Escherichia coli DH5α	MEP途径	idiBi	2型异戊烯基二磷酸异构酶（IDI）	催化	来自地衣芽孢杆菌，GenBank登录号HQ013323
Escherichia coli DH5α	甲羟戊酸途径	mvaA, mvaS, mvaK1, mvaK2, mvaD	HMG-CoA还原酶、HMG-CoA合酶、甲羟戊酸激酶、磷酸甲羟戊酸激酶、甲羟戊酸二磷酸脱羧酶	催化	来自肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae），通过pSSNSN质粒引入
Escherichia coli DH5α	甲羟戊酸途径	phbA	乙酰乙酰辅酶A硫解酶	催化	来自真养产碱菌（Ralstonia eutropha），参与甲羟戊酸途径上游
Escherichia coli DH5α	MEP途径/甲羟戊酸途径	—	IDI（1型和2型）	催化	比较两种IDI在IPP/DMAPP异构化及番茄红素合成中的效率

关键发现

过表达i_Ec使番茄红素产量从33±1 mg/gDCW（E. coli Tlyc）提高到68±3 mg/gDCW（E. coli TlyciEc）
过表达i_BI进一步提高到80±9 mg/gDCW（E. coli TlyciBi）。引入异源甲羟戊酸途径后，E. coli TlyciEc-mev产量达132±5 mg/gDCW（为对照的4倍），E. coli TlyciBi-mev产量达181±9 mg/gDCW（为对照的5.6倍）。添加0.5%柠檬酸时，E. coli TlyciBi-mev产量最高达198±3 mg/gDCW。果糖、甘露糖、阿拉伯糖、乙酸均不同程度抑制番茄红素产量，其中阿拉伯糖在含甲羟戊酸途径的菌株中抑制最严重。

研究结论

在大肠杆菌中，来自地衣芽孢杆菌的2型IDI比来自大肠杆菌的1型IDI更有利于提高番茄红素等异戊二烯化合物的产量；通过代谢工程改造柠檬酸代谢途径（如补充柠檬酸）是提高大肠杆菌异戊二烯积累的可行策略。