Improved ethanol tolerance in Escherichia coli by changing the cellular fatty acids composition through genetic manipulation
- 作者
- Lian Hua Luo, Pil-Soo Seo, Jeong-Woo Seo, Sun-Yeon Heo, Dae-Hyuk Kim, Chul Ho Kim
- 单位
- Molecular Bioprocess Research Center, Jeonbuk Branch Institute, KRIBB; Institute for Molecular Biology and Genetics, Research Center of Bioactive Materials, Chonbuk National University
- 杂志
- Biotechnology Letters（2009）
- DOI
- 10.1007/s10529-009-0092-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
探究大肠杆菌细胞膜脂肪酸组成对其乙醇耐受性的影响，并通过遗传改造提高菌株的乙醇耐受性
研究策略
在大肠杆菌中分别或共同过表达来自枯草芽孢杆菌的脂肪酸脱饱和酶基因des和来自大肠杆菌自身的β-羟基癸酰硫酯脱水酶基因fabA，改变细胞膜脂肪酸组成，并测定不同乙醇浓度下的细胞生长和脂肪酸谱
核心内容
本研究在大肠杆菌DH5α中分别或共同过表达源自枯草芽孢杆菌的脂肪酸脱饱和酶基因des与内源β-羟基癸酰硫酯脱水酶基因fabA，以系统改变细胞膜脂肪酸组成，探究其对乙醇耐受性的影响。结果显示，过表达fabA使饱和脂肪酸比例上升、不饱和脂肪酸减少，菌株在2%（v/v）及以上乙醇浓度下生长显著优于野生型对照；而过表达des则增加不饱和脂肪酸（如5-顺式棕榈油酸）并降低饱和棕榈酸，菌株在2%乙醇下生长慢于野生型。共同表达两基因可使脂肪酸组成恢复至接近野生型，生长表型亦基本恢复。值得注意的是，在乙醇胁迫下所有菌株的不饱和脂肪酸比例均随乙醇浓度升高而增加，但总体组成特征仍保留。该结果表明，与酵母相反，增加大肠杆菌饱和脂肪酸比例可提升乙醇耐受性，而增加不饱和脂肪酸比例反而降低耐受性，为通过膜脂工程改造工业菌株耐乙醇性能提供了新策略。
创新点
首次在大肠杆菌中系统比较饱和/不饱和脂肪酸比例变化对乙醇耐受性的影响，发现与酵母菌相反，增加饱和脂肪酸比例反而提高大肠杆菌的乙醇耐受性，为工程菌株耐乙醇改造提供新思路
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli DH5α | 脂肪酸生物合成 | des | 脂肪酸脱饱和酶 | 催化 | 来自Bacillus subtilis，催化饱和脂肪酸去饱和，生成5-顺式棕榈油酸（16:1 Δ5） |
| Escherichia coli DH5α | 脂肪酸生物合成 | fabA | β-羟基癸酰硫酯脱水酶 | 催化 | 来自大肠杆菌W3110，催化3-羟基癸酰-ACP脱水及异构化，参与不饱和脂肪酸合成，但其单独过表达反而使饱和脂肪酸比例增加 |
| Escherichia coli DH5α | 脂肪酸生物合成 | des-fabA | 脂肪酸脱饱和酶与β-羟基癸酰硫酯脱水酶 | 催化 | 共表达两者，脂肪酸组成恢复到接近野生型水平，乙醇耐受性也得以互补 |
| Escherichia coli W3110 | 脂肪酸生物合成 | fabA | β-羟基癸酰硫酯脱水酶 | 催化 | 作为fabA基因的扩增来源 |
关键发现
- 表达fabA的大肠杆菌（pBR-fabA）在2%（v/v）及以上乙醇浓度下生长显著高于野生型对照（pBR322）
- 表达des的菌株（pBR-des）在2%乙醇下生长慢于野生型
- 共表达des和fabA（pBR-des-fabA）时生长恢复至接近野生型水平。脂肪酸分析表明：pBR-des使不饱和脂肪酸5-顺式棕榈油酸（16:1 Δ5）增加、饱和棕榈酸（16:0）减少
- pBR-fabA使饱和脂肪酸比例增加、不饱和脂肪酸减少
- 共表达则使脂肪酸组成部分恢复至野生型水平。在乙醇胁迫下，所有菌株的不饱和脂肪酸比例均随乙醇浓度升高而增加，但各菌株的总体脂肪酸组成特征仍保留。
研究结论
通过遗传操作改变大肠杆菌细胞膜脂肪酸组成可有效调控其乙醇耐受性：增加饱和脂肪酸比例（fabA过表达）可提高乙醇耐受性，而增加不饱和脂肪酸比例（des过表达）反而降低耐受性，共表达两基因可互补恢复。该研究为构建高乙醇耐受性的工业菌株提供了实践价值。