Toward a photosynthetic microbial platform for terpenoid engineering
- 作者
- Fiona K. Davies, Robert E. Jinkerson, Matthew C. Posewitz
- 杂志
- Photosynthesis Research（2014）
- DOI
- 10.1007/s11120-014-9979-6
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
开发一个光合微生物平台用于萜类化合物工程，以克服植物提取和石油化工路线的局限性，实现可再生萜类生产。
研究策略
从异养微生物（大肠杆菌和酵母）的萜类工程经验中整合知识，提出蓝藻等光合微生物的萜类工程策略，包括增强IPP/DMAPP前体池、绕过天然调控、解除途径瓶颈、理解翻译后调控以及利用天然基因融合和基因重复等进化机制。
研究路线图
核心内容
该研究系统提出了以蓝藻等光合微生物为底盘进行萜类化合物工程化的策略框架。作者从大肠杆菌和酵母等异养微生物的萜类工程经验中提炼关键方法，主张通过增强IPP/DMAPP前体供给、解除天然代谢调控、破除途径瓶颈以及利用基因融合和基因重复等进化机制来优化光合平台。文中对比了MVA与MEP途径的碳和能量效率，并强调了翻译后修饰与代谢物分析在工程优化中的作用。关键数据表明，在大肠杆菌中引入酵母MVA途径可使青蒿素产量提升36倍，而集胞藻表达异戊二烯合酶仅获得约4微克每升每小时产量，相当于将固定二氧化碳的0.1%分配至目标产物。此外，敲除葡萄糖-6-磷酸脱氢酶可使番茄红素产量增加130%，灭活乙酸盐形成途径提升45%，显示代谢重排对增产的有效性。该工作意味着光合微生物作为可持续萜类生产平台具有潜力，但仍需在碳/能量代谢平衡和调控机制理解上深入优化，才能达到实用化水平。
创新点
系统比较了MVA和MEP途径的碳/能量效率，提出了蓝藻光合平台的具体工程策略；强调利用天然蛋白融合（如IDI/SQS）和基因重复（如DXS多亚型）等进化优势来优化代谢；指出翻译后修饰和代谢物分析在萜类工程中的重要性。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP pathway | dxs | DXS | 催化 | MEP途径第一个酶，被视为关键调控酶和途径瓶颈 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP pathway | dxr | DXR | 催化 | MEP途径第二个酶，文中提到可用DXR-II替换以绕过天然调控 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MVA pathway | atoB, HMGS, HMGR, MVK, PMK, PMD, idi | 乙酰-CoA硫解酶、HMG合酶、HMG还原酶、甲羟戊酸激酶、磷酸甲羟戊酸激酶、二磷酸甲羟戊酸脱羧酶、IPP异构酶 | 催化 | 异源表达完整MVA途径使异戊二烯产量增加约2.5倍 |
| E. coli | MVA pathway | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 酵母中过表达截短HMGR增加类胡萝卜素产量；该酶受多层次调控 |
| E. coli | MEP pathway | idi | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | 调节IPP/DMAPP比例，过表达可增强萜类产量 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP pathway | ispS | 异戊二烯合酶 | 催化 | 来自Pueraria lobata，异源表达后异戊二烯产量4 μg L^-1 h^-1，约0.1%固定CO2分配为异戊二烯 |
| Nannochloropsis gaditana | MVA pathway (推测为细胞质) | IDI/SQS | IDI/SQS双功能融合蛋白 | 催化 | 融合蛋白催化两个非连续步骤：IPP异构化和角鲨烯合成；在光合异鞭毛类中广泛存在 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | MEP pathway | ispH, idi | IspH, IDI | 催化 | 磷酸化修饰，可能作为蛋白质工程靶点以永久激活酶活性 |
| Botryococcus braunii | MEP pathway | dxs | DXS | 催化 | 含有三个DXS亚型，可能与其高产三萜类烃（占干重30-40%）相关 |
关键发现
- 植物萜类超过55,000种
- 异戊二烯全球年排放量达500-750 Tg
- Synechococcus sp. PCC 7002倍增时间2-3小时
- 在kudzu叶片中DMAPP/IPP比例为2.04:1，而非异戊二烯释放的烟草细胞中为15:85
- 大肠杆菌中引入酵母MVA途径使青蒿素产量提高36倍
- Genencor公司工程MVA途径在葡萄糖补料分批培养中异戊二烯产量达2 g L^-1 h^-1
- 敲除大肠杆菌碳水化合物磷酸转移酶系统后番茄红素产量达20 mg g^-1干重
- 敲除葡萄糖-6-磷酸脱氢酶使番茄红素产量增加130%
- 灭活乙酸盐形成途径使番茄红素产量提高45%
- Synechocystis表达异戊二烯合酶产量为4 μg L^-1 h^-1，约0.1%固定CO2分配为异戊二烯
- β-石竹烯产量0.3 μg L^-1 h^-1，β-水芹烯产量1.0 μg L^-1 h^-1
- 表达MVA途径使异戊二烯产量增加约2.5倍
- Botryococcus braunii的botryococcene可占干重30-40%。
研究结论
光合微生物平台有潜力成为可持续的萜类生产平台，但需要进一步工程优化，结合合成生物学工具，并深入理解调控机制，尤其要关注碳和能量代谢的平衡以及翻译后调控。