Improving coenzyme Q_8 production in Escherichia coli employing multiple strategies
- 作者
- Wen Xu, Shuiyun Yang, Junchao Zhao, Tingting Su, Liangrui Zhao, Jiankang Liu
- 单位
- Institute of Mitochondrial Biology and Medicine, Key Laboratory of Biomedical Information Engineering of the Ministry of Education, School of Life Science and Technology, Xi'an Jiao tong University, Xi'an 710049, Shaanxi, China
- 杂志
- Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology（2014）
- DOI
- 10.1007/s10295-014-1458-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过多种代谢工程策略协同提高大肠杆菌中辅酶Q8的产量
研究策略
阻断分支代谢途径（敲除menA基因）、补充底物前体（丙酮酸钠和对羟基苯甲酸）、共表达限速酶基因dxs和ubiA，并组合这些策略
核心内容
该研究在大肠杆菌BW25113中综合运用多种代谢工程策略以提高辅酶Q8产量。首先敲除menA基因阻断分支的甲萘醌合成途径，使辅酶Q8含量从0.31 mg/g DCW提升至0.56 mg/g DCW，提高81%。在此基础上共表达限速酶基因dxs和ubiA，使ΔmenA菌株的辅酶Q8含量进一步升至1.26 mg/g DCW，提高125%。补充前体对羟基苯甲酸和丙酮酸钠亦显著增效，两种前体联合补充使野生型和ΔmenA菌株产量分别提高97.65%和89.4%。最终将三种策略组合实施，使辅酶Q8含量达到1.57 mg/g DCW，较亲株提高4.06倍，产量达2.68 mg/L，提高了3.54倍，且细胞生长未受明显影响。结果表明，阻断分支途径、补充前体与共表达限速酶具有协同效应，该组合策略是提升大肠杆菌辅酶Q8产量的有效系统代谢工程手段，其思路也可推广至辅酶Q10等其他产品的生产。
创新点
首次通过阻断甲萘醌途径（menA缺失）提高大肠杆菌CoQ8产量；首次将dxs-ubiA共表达与前体补充相结合；证明多种策略对CoQ8产量具有协同效应
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli BW25113 | 甲萘醌合成途径 | menA | MenA (DHNA-octaprenyltransferase) | 催化 | 敲除menA以阻断甲萘醌分支途径，使更多前体流向CoQ8合成 |
| Escherichia coli BW25113 (ΔmenA) | 异戊二烯生物合成途径（MEP途径） | dxs | DXS (1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase) | 催化 | 过表达dxs以提高异戊二烯前体供应，与ubiA共表达获得更高CoQ8含量 |
| Escherichia coli BW25113 (ΔmenA) | 辅酶Q8生物合成途径 | ubiA | UbiA (4-hydroxybenzoate octaprenyl transferase) | 催化 | 过表达ubiA以促进pHBA与OPP缩合，与dxs共表达显著提高CoQ8含量 |
| Escherichia coli BW25113 | 甲萘醌合成途径 | ispB | IspB (octaprenyl diphosphate synthase) | 催化 | 文中提及作为CoQ10生产菌株改造的潜在靶点，非本研究直接操作对象 |
关键发现
- 阻断menA基因使CoQ8含量从0.31 mg/g DCW提高到0.56 mg/g DCW（提高81%），产量从0.59 mg/L提高到1.04 mg/L
- 共表达dxs-ubiA使ΔmenA菌株CoQ8含量从0.56提高到1.26 mg/g DCW（提高125%）
- 补充80 mg/L pHBA和60 mg/L丙酮酸钠使ΔmenA菌株CoQ8含量从0.56提高到0.89 mg/g DCW（提高59%），且两种前体联合补充使野生型和ΔmenA菌株产量分别提高97.65%和89.4%
- 组合策略（menA缺失+dxs-ubiA共表达+前体补充）使CoQ8含量达到1.57 mg/g DCW，比亲株（0.31 mg/g DCW）提高4.06倍（即增加406%），产量达到2.68 mg/L，比亲株提高3.54倍
- 细胞质量和生理状态无明显负面影响
研究结论
阻断分支途径、补充前体和共表达限速酶的组合策略协同作用显著提高大肠杆菌CoQ8产量，是有效的系统代谢工程方法，且相关策略可推广至CoQ10等其他辅酶Q的生产