Over-production of β-carotene from metabolically engineered Escherichia coli
- 作者
- Sung-Woo Kim, Jae-Bum Kim, W.-H. Jung, Jung-Hoe Kim, Joon-Ki Jung
- 单位
- AceBiotech Co., Ltd., No. 114 Bio-Venture Center, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology (KRIBB); Department of Biological Sciences, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST); Biopilot Plant, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology (KRIBB)
- 杂志
- Biotechnology Letters（2006）
- DOI
- 10.1007/s10529-006-9023-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在Escherichia coli中实现β-胡萝卜素的高效过量生产，并解决高拷贝质粒带来的代谢负担问题
研究策略
构建由araBAD启动子控制的合成crt操纵子，比较高拷贝和低拷贝载体的生产性能，选择低拷贝载体并通过补料分批发酵逐级放大至300 L规模
核心内容
该研究通过代谢工程手段在大肠杆菌中实现β-胡萝卜素的过量生产，着重解决高拷贝质粒带来的代谢负担。作者构建了由阿拉伯糖诱导型araBAD启动子控制的合成crt操纵子（含crtE、crtI、crtB、crtY及idi基因），系统比较高拷贝与低拷贝载体的生产性能，发现低拷贝载体pTB-EIBYrop在1 mM阿拉伯糖诱导时产量最高。在25°C下发酵比37°C产量提高1.5倍。逐级放大实验中，5 L发酵罐产量为270 mg/L，生产率为5.4 mg/L/h；50 L罐达到最大产量390 mg/L（生产率7.8 mg/L/h）；300 L规模仍可获得240 mg/L产量（生产率4.8 mg/L/h），HPLC确认主要产物为β-胡萝卜素并伴少量番茄红素。结果表明，采用低拷贝载体配合适度基因表达能有效降低代谢负担并实现工业规模生产，该合成操纵子亦可改造用于其他类胡萝卜素的生物合成。
创新点
采用低拷贝载体与可控的araBAD启动子组合以降低代谢负担；通过逐级放大实现工业规模β-胡萝卜素生产
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli DH5α | 类胡萝卜素生物合成 | crtE | GGPP合酶 | 催化 | 来自Erwinia uredovora，催化牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成 |
| Escherichia coli DH5α | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 来自Erwinia uredovora，催化八氢番茄红素脱氢生成番茄红素 |
| Escherichia coli DH5α | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 来自Erwinia uredovora，催化两分子GGPP缩合生成八氢番茄红素 |
| Escherichia coli DH5α | 类胡萝卜素生物合成 | crtY | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 来自Erwinia uredovora，催化番茄红素环化生成β-胡萝卜素 |
| Escherichia coli DH5α | 类胡萝卜素生物合成 | idi | 异戊烯基焦磷酸异构酶 | 催化 | 来自E. coli K-12 W3110，催化IPP异构化为DMAPP，增强前体供给 |
关键发现
- 低拷贝载体pTB-EIBYrop在1 mM阿拉伯糖诱导时β-胡萝卜素产量最高
- 50 L发酵罐最大产量为390 mg/L，生产率为7.8 mg/L/h
- 300 L发酵罐最大产量为240 mg/L，生产率为4.8 mg/L/h
- 5 L发酵罐产量为270 mg/L，生产率为5.4 mg/L/h
- 25°C发酵比37°C产量高1.5倍
- HPLC分析显示主要产物为β-胡萝卜素，并有少量番茄红素
研究结论
通过低拷贝载体和中度表达crt基因可有效生产β-胡萝卜素，并成功放大至300 L规模；该合成操纵子可进一步改造用于生产其他类胡萝卜素