Combination of Entner-Doudoroff Pathway with MEP Increases Isoprene Production in Engineered Escherichia coli
- 作者
- Huawei Liu, Yuanzhang Sun, Kristine Rose M. Ramos, Grace M. Nisola, Kris Niño G. Valdehuesa, Won-Keun Lee, Si Jae Park, Wook-Jin Chung
- 单位
- Energy and Environment Fusion Technology Center, Department of Energy and Biotechnology, Myongji University, Cheoin-gu, Yongin-si, Gyeonggi-do, Republic of Korea; Division of Bioscience and Bioinformatics, Myongji University, Cheoin-gu, Yongin-si, Gyeongji-do, Republic of Korea
- 杂志
- PLoS ONE（2013）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0083290
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
常见的Embden-Meyerhof通路（EMP）与MEP组合时，EMP会产生不平衡的丙酮酸和3-磷酸甘油醛（G3P），限制了异戊二烯的合成。需要寻找更高效的MEP前体供给模块。
研究策略
构建并比较五种不同的糖酵解途径（EMP、EDP、PPP、Dahms以及EDP+PPP组合）作为MEP前体供给模块，同时优化MEP模块（过表达dxs、idi、ispG等基因），通过异戊二烯产量评估各模块效率。
核心内容
本研究以大肠杆菌BW25113 (DE3)为底盘，系统比较了五种糖酵解途径（EMP、EDP、PPP、Dahms及EDP+PPP组合）作为MEP途径前体供给模块对异戊二烯合成的影响。作者首先优化MEP模块，过表达dxs、idi、ispG等基因，使仅表达异戊二烯合酶的菌株产量从低于4 mg/L提升至71.4±1.4 mg/L。随后构建携带不同供给模块的菌株，结果显示，同时产生丙酮酸和3-磷酸甘油醛的EDP及其与PPP的组合显著优于传统EMP模块：EDP+PPP模块（FMIS2）和EDP模块（FMIS3）的异戊二烯产量分别达到220.78±11.68 mg/L和219.42±6.24 mg/L，均为EMP模块的3.1倍，产率分别提高6.8倍和7.5倍；而PPP模块和Dahms模块产量仅为58.42±1.68 mg/L和20.08±0.13 mg/L。该工作首次将EDP与MEP结合用于异戊二烯生产，证明EDP作为前体供给模块在平衡丙酮酸与G3P供应方面优于广泛使用的EMP，为MEP依赖的类异戊二烯生物合成途径优化提供了新思路。
创新点
首次将Entner-Doudoroff途径（EDP）与MEP结合用于异戊二烯生产；系统比较了四种糖酵解途径作为MEP前体供给模块的性能，发现同时产生丙酮酸和G3P的EDP显著优于EMP。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli BW25113 (DE3) | MEP途径 | dxs | DXP合酶 | 催化 | 过表达以增强MEP通量 |
| Escherichia coli BW25113 (DE3) | MEP途径 | idi | IPP异构酶 | 催化 | 过表达以增强IPP/DMAPP供应 |
| Escherichia coli BW25113 (DE3) | MEP途径 | ispG | HMBPP合酶 | 催化 | 过表达以缓解MEP通量限速 |
| Escherichia coli BW25113 (DE3) | MEP途径 | ispS | 异戊二烯合酶 | 催化 | 来自Populus alba的密码子优化基因，异源表达 |
| E. coli BW25113 (DE3) Δpgi (FMIS2) | EDP+PPP | pgi | 葡萄糖-6-磷酸异构酶 | 调控 | 敲除pgi阻断EMP，激活EDP并增加PPP通量 |
| E. coli BW25113 (DE3) Δpgi Δgnd (FMIS3) | EDP | pgi, gnd | 葡萄糖-6-磷酸异构酶, 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶 | 调控 | 同时敲除pgi和gnd，仅保留EDP作为葡萄糖分解途径 |
| E. coli BW25113 (DE3) (FMIS4) | PPP | — | — | — | 以D-木糖为碳源，利用天然PPP作为MEP供给模块 |
| E. coli BW25113 (DE3) ΔxylA (FMIS5) | Dahms途径 | xylA | 木糖异构酶 | 调控 | 敲除xylA阻断PPP，为Dahms途径构建创造条件 |
| E. coli BW25113 (DE3) ΔxylA (FMIS5) | Dahms途径 | xdh | D-木糖脱氢酶 | 催化 | 异源表达Caulobacter crescentus的xdh，催化D-木糖转化为D-木糖酸 |
关键发现
- 仅表达ispS的E. coli BW25113 (DE3)异戊二烯产量低于4 mg/L
- 优化MEP模块（过表达dxs、idi、ispG）后产量达到71.4±1.4 mg/L。EDP+PPP模块（FMIS2）和EDP模块（FMIS3）的异戊二烯产量分别为220.78±11.68 mg/L和219.42±6.24 mg/L，分别是EMP模块（71.40±1.38 mg/L）的3.1倍
- 产率分别提高6.8倍和7.5倍。PPP模块（FMIS4）产量为58.42±1.68 mg/L，Dahms模块（FMIS5）产量为20.08±0.13 mg/L。
研究结论
含有EDP的供给模块能显著提高异戊二烯产量，优于广泛使用的EMP模块；这为MEP依赖的类异戊二烯生物合成途径优化提供了新方向。