Role of isopentenyl-diphosphate isomerase in heterologous cyanobacterial (Synechocystis) isoprene production
- 作者
- Julie E. Chaves, Paloma Rueda Romero, Henning Kirst, Anastasios Melis
- 杂志
- Photosynthesis Research（2017）
- DOI
- 10.1007/s11120-016-0293-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在蓝藻集胞藻中，异戊二烯合成与天然类异戊二烯生物合成之间的碳分配尚未优化，IPP异构酶对IPP/DMAPP比例的调控作用不明确。
研究策略
通过异源表达肺炎链球菌的IPP异构酶基因FNI，并利用异戊二烯合酶（IspS）作为报告系统，检测FNI对IPP/DMAPP库和异戊二烯产量的影响；同时敲除cpc操纵子以节省碳资源，评估碳重分配对异戊二烯合成的贡献。
研究路线图
核心内容
本研究在蓝藻集胞藻PCC 6803中探究了异戊烯基二磷酸异构酶（IPP异构酶）对异戊二烯合成的调控作用。研究通过异源表达肺炎链球菌的FNI基因编码的IPP异构酶，并以异戊二烯合酶（IspS）作为报告系统，监测IPP/DMAPP库的变化；同时敲除cpc操纵子以节省碳资源，评估碳重分配对异戊二烯合成的贡献。结果显示，单独表达FNI使异戊二烯产量提高250%，从对照的5.1 μg L⁻¹ h⁻¹提升至12.8 μg L⁻¹ h⁻¹；敲除cpc操纵子本身使产量提高5倍（从1.1 μg L⁻¹ h⁻¹增至5.1 μg L⁻¹ h⁻¹），碳分配比从0.13 mg/g提升至0.73 mg/g，进一步表达FNI后该比值达到1.8 mg/g。这些结果证明，异源表达FNI推动IPP/DMAPP稳态向DMAPP方向移动，显著提升异戊二烯产量，说明IPP异构酶在蓝藻类异戊二烯合成中发挥关键调控作用，为优化蓝藻异戊二烯生物合成提供了有效策略。
创新点
首次在集胞藻中异源表达S. pneumoniae的IPP异构酶以调控IPP/DMAPP比例；利用异戊二烯产量作为内源DMAPP库的报告过程；结合cpc操纵子敲除和FNI过表达，实现异戊二烯产量和碳分配比的阶梯式提升。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP pathway | FNI | isopentenyl diphosphate isomerase | 催化 | 异源表达自肺炎链球菌，与氯霉素抗性基因一起插入cpc操纵子位点 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 异戊二烯合成途径 | IspS | isoprene synthase | 催化 | 来源于野葛（kudzu），已整合至psbA2位点，作为异戊二烯报告酶 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 光合作用（藻胆体） | cpc operon | 藻蓝蛋白（CpcB/CpcA） | 能量供给 | 敲除该操纵子以减少光捕获天线大小和碳消耗，促使碳流向异戊二烯合成 |
关键发现
异源表达肺炎链球菌的IPP异构酶FNI使集胞藻异戊二烯产量提高250%（从对照5.1 μg L^-1 h^-1提高到12.8 μg L^-1 h^-1）。此外，敲除cpc操纵子本身使异戊二烯产量提高5倍（从1.1 μg L^-1 h^-1提高到5.1 μg L^-1 h^-1），而异戊二烯/生物量碳分配比从0.13 mg/g提高到0.73 mg/g，再经FNI表达进一步提高至1.8 mg/g。
研究结论
异源表达FNI使IPP/DMAPP稳态向DMAPP方向移动，提升了异戊二烯产量250%，证明了IPP异构酶在蓝藻类异戊二烯合成中具有关键调控作用。