Pseudomonas putida—a versatile host for the production of natural products

解决的核心问题

系统综述恶臭假单胞菌 (Pseudomonas putida) 作为重组宿主用于多种天然产物（鼠李糖脂、萜类、聚酮/非核糖体肽、氨基酸衍生物等）异源生物合成的应用潜力与工程策略。

研究策略

对 P. putida 作为天然产物生产宿主的文献进行系统性回顾，总结各类天然产物的异源合成案例、表达策略、菌株工程方法及产量数据，并分析该菌株的特殊优势。

研究路线图

100%

核心内容

该论文系统综述了恶臭假单胞菌作为天然产物异源合成宿主的应用潜力与工程策略。作者梳理了该菌株作为底盘的独特优势：高GC含量适应放线菌和粘细菌来源基因的表达，富含氧化还原辅因子，具有内源广谱磷酸泛酰巯基乙胺基转移酶，且对外源有机溶剂和抗生素表现出极高耐受性，其对鼠李糖脂的耐受浓度可达90 g/L。文中汇总了多类天然产物的代表性合成案例，包括通过引入鼠李糖脂合成基因和敲除phaC1实现单鼠李糖脂产量1.5 g/L（碳得率0.23），萜类中香叶酸产量193 mg/L，玉米黄质达239 mg/L；聚酮与非核糖体肽类中myxochromide S经低温诱导产量提高1000倍至40 mg/L，氨基酸衍生物中蓝藻素可达细胞干重的43.4%。此外，启动子优化、MVA途径引入及染色体整合等策略可显著提升产量。该综述表明恶臭假单胞菌凭借代谢多样性和高耐受性，已成为功能宏基因组筛选和高价值天然产物生产的重要底盘，未来在合成微生物学中将发挥更大作用。

创新点

系统归纳了 P. putida 作为天然产物生产宿主的独特优势：高GC含量适应放线菌/粘细菌基因、丰富的氧化还原辅因子、内源广谱PPTase、对外源物质的高耐受性；梳理了从鼠李糖脂到萜类、聚酮/非核糖体肽及氨基酸衍生物的多类代表性合成实例。

研究对象（25）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Pseudomonas putida KT2440	鼠李糖脂生物合成	rhlA	RhlA	催化	酰基转移酶，催化生成3-(3-羟基烷酰氧基)烷酸（HAA）
Pseudomonas putida KT2440	鼠李糖脂生物合成	rhlB	RhlB	催化	鼠李糖基转移酶I，催化单鼠李糖脂形成
Pseudomonas putida KT2440	鼠李糖脂生物合成	rhlC	RhlC	催化	鼠李糖基转移酶II，催化双鼠李糖脂形成
Pseudomonas putida KT2440	鼠李糖脂生物合成调控	rhlRI	RhlR/RhlI	调控	群体感应调控系统，调控rhlAB表达
Pseudomonas putida DSM 12264	萜类生物合成	ges	geraniol synthase	催化	来自罗勒的香叶醇合酶，催化GPP生成香叶醇
Pseudomonas putida KT2440	甲羟戊酸途径	hmgs,hmgr,mvk,pmvk,mvld,idi	Hmgs/Hmgr/Mvk/Pmvk/Mvld/Idi	催化	来自Myxococcus xanthus的MVA途径基因，增强异戊二烯前体供给
Pseudomonas putida KT2440	类胡萝卜素生物合成	crtEIBYZ	CrtE/I/B/Y/Z	催化	来自Pantoea ananatis的类胡萝卜素合成酶，催化FPP生成玉米黄质
Pseudomonas putida KT2440	聚酮生物合成	phlD	PhlD	催化	III型聚酮合酶，催化3分子丙二酰-CoA生成单乙酰间苯三酚
Pseudomonas putida KT2440	聚酮生物合成	rppA	RppA	催化	来自Sorangium cellulosum的THNS，催化五分子丙二酰-CoA合成THN进而氧化为flaviolin
Pseudomonas putida KT2440	聚酮/非核糖体肽杂合生物合成	mchABC	MchA/B/C	催化	来自Stigmatella aurantiaca的I型PKS/NRPS杂合系统，合成myxochromide S
Pseudomonas putida KT2440	聚酮/非核糖体肽杂合生物合成	mtaBCDEFG	MtaB/C/D/E/F/G	催化	来自S. aurantiaca的I型PKS/NRPS杂合系统，合成myxothiazol A，其中mtaD编码PKS/NRPS杂合蛋白
Pseudomonas putida KT2440	聚酮/非核糖体肽杂合生物合成	tubA,orf2,tubZ,orf1,tubBCDEF,orf17,orf18	TubA/Z/B/C/D/E/F	催化	来自Cystobacter sp.的tubulysin基因簇，合成pretubulysin A
Pseudomonas putida P3	聚酮/非核糖体肽杂合生物合成	sylABCDE	SylA/B/C/D/E	催化	来自Pseudomonas syringae的syringolin A合成基因簇，SylC/SylD为NRPS/PKS模块
Pseudomonas putida P3	聚酮/非核糖体肽杂合生物合成	plu1881-1877	Plu1881-1877	催化	来自Photorhabdus luminescens的glidobactin A合成基因簇，plu1878为NRPS，plu1880为NRPS/PKS杂合
Pseudomonas putida KT2440	灵菌红素生物合成	pigABCDEFGHIJKLMN	PigA-N	催化	来自Serratia marcescens的灵菌红素合成基因簇，PigA/G/H/I/J构成NRPS/PKS装配线
Pseudomonas putida S12	芳香族氨基酸代谢	pal	Pal	催化	来自Rhodosporidium toruloides的苯丙氨酸/酪氨酸氨裂解酶，催化生成t-肉桂酸/对香豆酸
Pseudomonas putida S12	芳香族氨基酸代谢	tpl	Tpl	催化	来自Pantoea agglomerans的酪氨酸酚裂解酶，催化酪氨酸生成苯酚
Pseudomonas putida S12	芳香族氨基酸代谢	pdc	Pdc	催化	来自Lactobacillus plantarum的香豆酸脱羧酶，催化对香豆酸生成对羟基苯乙烯
Pseudomonas putida mt-2	色氨酸代谢	vioABCE	VioA/B/C/E	催化	来自Duganella sp.的脱氧紫罗兰素合成酶，由两分子色氨酸合成脱氧紫罗兰素
Pseudomonas putida KT2440	吩嗪生物合成	phzABCDEFG	PhzA-G	催化	来自Pseudomonas fluorescens的吩嗪-1-羧酸（PCA）合成酶
Pseudomonas putida KT2440	吩嗪生物合成	phzMS	PhzM/PhzS	催化	来自Pseudomonas aeruginosa的酶，将PCA转化为绿脓菌素
Pseudomonas putida KT2440	蓝藻素生物合成	cphA	CphA	催化	来自Synechocystis sp.的蓝藻素合成酶，以天冬氨酸和精氨酸为底物合成蓝藻素
Pseudomonas putida KT2440	鼠李糖脂分泌	PA1131	PA1131	转运	推测的MFS超家族转运蛋白，与rhlC共操作子，可能参与双鼠李糖脂分泌
Pseudomonas putida P3	syringolin A分泌	sylE	SylE	转运	syringolin A外排蛋白，由syringolin基因簇编码
Pseudomonas putida S12	对羟基苯甲酸分泌	PP1271-PP1273	PP1271-PP1273	转运	MFS多药外排转运体，对对羟基苯甲酸分泌起重要作用但非必需

关键发现

P. putida 已成功实现多种天然产物的异源合成：鼠李糖脂最高产量达7.3 g/L（C yield
17，Cha et al. 2008）；敲除phaC1后单鼠李糖脂达1.5 g/L（C yield
23）；双鼠李糖脂达113 mg/L/OD600。萜类中，香叶酸产量193 mg/L，玉米黄质239 mg/L，β-胡萝卜素0.2 mg/gCDW。聚酮/非核糖体肽中，myxochromide S达40 mg/L（低温诱导提高1000倍），myxothiazol A为0.6 mg/L，pretubulysin A为1.76 μg/L，prodigiosin为0.5 mg/gCDW，flaviolin约6 mg/L，DAC约2 mg/L。氨基酸衍生物中，苯酚9.2 mM，t-肉桂酸5.4 mM，p-香豆酸1.7 g/L，p-羟基苯乙烯21 mM，p-羟基苯甲酸1.8 g/L，脱氧紫罗兰素1.5 g/L，绿脓菌素45 mg/L，蓝藻素可达细胞干重的43.4%。此外，P. putida 对鼠李糖脂的耐受浓度高达90 g/L。

研究结论

P. putida 凭借其代谢多样性、对外源化合物（包括有机溶剂和抗生素）的高耐受性、丰富的辅因子供给及内源广谱PPTase等特性，已成为多种天然产物异源生产的优秀宿主。通过启动子优化、前体供给工程（如MVA途径引入、phaC1敲除）、染色体整合及随机诱变等策略，可获得显著产量。未来该菌株有望作为合成微生物学的底盘细胞，在功能宏基因组筛选和高价值天然产物生产中发挥更大作用。