Improving isobutanol production in metabolically engineered Escherichia coli by co-producing ethanol and modulation of pentose phosphate pathway
- 作者
- Zichun Liu, Pingping Liu, Dongguang Xiao, Xueli Zhang
- 杂志
- Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology（2016）
- DOI
- 10.1007/s10295-016-1751-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
厌氧条件下代谢工程大肠杆菌生产异丁醇时存在氧化还原不平衡：NADH过剩而NADPH供应不足
研究策略
引入乙醇合成途径消耗多余NADH，并通过RBS文库精细调控adhE基因活性；同时调节戊糖磷酸途径关键基因zwf增加NADPH供应，将两种策略组合协同提高异丁醇产量
核心内容
该研究针对厌氧条件下代谢工程大肠杆菌生产异丁醇时NADH过剩而NADPH供应不足的氧化还原不平衡问题，提出将引入乙醇合成途径与调节戊糖磷酸途径相结合的策略。研究者通过引入乙醇合成途径消耗多余NADH，并利用RBS文库精细调控关键基因adhE和zwf的表达水平，以平衡碳流分布和辅因子供应。结果显示，单纯引入乙醇途径虽消耗了NADH，但异丁醇产率从0.66 mol/mol葡萄糖降至0.29 mol/mol；下调AdhE活性至0.1 U/mg后产率回升至0.6 mol/mol。调节zwf后最佳菌株ZL006产量达33 mM，产率0.41 mol/mol，较亲本提高约43%。将两种策略组合获得的最佳菌株ZL021产量达53 mM，产率0.74 mol/mol，异丁醇产量较起始菌株提高51%。该研究表明AdhE活性与异丁醇产量负相关，而Zwf活性适中时促进产量，过高反而抑制。组合策略有效解决了厌氧条件下的辅因子不平衡，为异丁醇的微生物生产提供了可行的代谢工程思路。
创新点
首次联合乙醇共生产和戊糖磷酸途径调控同时解决NADH和NADPH不平衡；利用RBS文库精细调节adhE和zwf表达，实现了异丁醇和乙醇碳流分布的优化
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli (ATCC 8739 衍生菌株，如AS108及其改造株) | 戊糖磷酸途径 | zwf | 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶 | 催化 | 通过RBS文库调节表达强度，增加NADPH供应；最佳活性0.65 U/mg |
| Escherichia coli (ATCC 8739 衍生菌株，如AS108及其改造株) | 乙醇合成途径 | adhE | 乙醛/醇脱氢酶 | 催化 | 降低AdhE活性减少乙醇碳流，平衡异丁醇生产 |
| Escherichia coli (ATCC 8739 衍生菌株，如AS108及其改造株) | 乙醇合成途径 | pflB | 丙酮酸甲酸裂解酶 | 催化 | 整合到ackA-pta位点，提供乙醇合成所需的乙酰辅酶A |
关键发现
- 引入乙醇合成途径后，异丁醇产率从0.66 mol/mol葡萄糖降至0.29 mol/mol
- 下调AdhE活性（从0.17降至0.1 U/mg）使异丁醇产率提高至0.6 mol/mol
- 调节zwf后最佳菌株ZL006产量33 mM、产率0.41 mol/mol，分别比亲本提高43%和41%
- 组合调节后最佳菌株ZL021产量53 mM、产率0.74 mol/mol，总醇产率0.81 mol/mol，比起始菌株AS108产量提高51%、产率提高12%
- AdhE活性与异丁醇产量呈负相关，Zwf活性在0.65 U/mg以下时与产量正相关，过高则产量下降
研究结论
通过共生产乙醇消耗多余NADH，并调节戊糖磷酸途径增加NADPH供应，可有效解决厌氧异丁醇生产中的氧化还原不平衡，组合策略具有协同效应，显著提高了异丁醇产量和产率