Perspectives and limits of engineering the isoprenoid metabolism in heterologous hosts
- 作者
- Remco Muntendam, Elena Melillo, Annamargareta Ryden, Oliver Kayser
- 单位
- Department of Pharmaceutical Biology, GUIDE, University of Groningen; Rijksuniversiteit Groningen, Farmaceutische Biologie
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2009）
- DOI
- 10.1007/s00253-009-2150-1
- 所属领域
- 代谢工程/合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
异源宿主中工程化异戊二烯（萜类）代谢的前景与局限，特别是如何提高青蒿素、紫杉醇等复杂萜类化合物的产量。
研究策略
综述近年来萜类代谢工程进展，包括宿主选择、载体设计、系统生物学工具、逆代谢工程和组合生物合成策略，并讨论青蒿素、紫杉醇、虾青素三个案例。
研究路线图
核心内容
该文系统综述了在异源宿主中工程化异戊二烯代谢的前景与局限，重点关注青蒿素、紫杉醇和虾青素等高价值萜类化合物的生产策略。作者总结了宿主选择、载体设计、系统生物学工具、逆代谢工程及组合生物合成等方法的进展，并提出通过构建代谢汇和调节分支点酶来优化通量的新思路。关键结果显示：在Lavandula latifolia中过表达DXS使叶片精油含量提高4.6倍；在拟南芥中TXDS与HDR共表达使taxadiene产量提高13倍；下调酿酒酵母ERG9使AMD产量提高5倍；大肠杆菌中异源MVA途径并添加甲羟戊酸后，类胡萝卜素产量达503 mg/L；花椰菜中过表达Or基因使β-胡萝卜素浓度在纯合子中提高8倍。文章指出，尽管利用合成生物学工具已能重构复杂萜类途径并实现微生物发酵生产，但代谢通量的精细调控、未知途径酶及宿主适应性仍是主要挑战，未来需结合系统生物学和逆代谢工程进一步优化异源萜类生产。
创新点
总结了逆代谢工程和组合生物合成在合成生物学中的应用，以及利用系统生物学方法（转录组、蛋白组、代谢组、13C标记通量分析）预测和优化代谢网络；提出通过构建代谢汇和调节分支点酶来提高产量的新策略。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| E. coli | MEP | dxs | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase (DXS) | 催化 | MEP途径第一个限速酶，过表达可提高单萜前体GPP供给 |
| E. coli | MEP | hdr | hydroxymethylbutenyl diphosphate reductase (HDR) | 催化 | MEP途径后期酶，同时合成IPP和DMAPP，是限速酶 |
| S. cerevisiae | MVA | HMGR | HMG-CoA reductase | 催化 | MVA途径限速步，受磷酸化调控 |
| S. cerevisiae | 萜类合成 | ERG9 | squalene synthase | 催化 | 将FPP转向甾醇合成，下调其表达可增加倍半萜产量 |
| A. thaliana | 紫杉醇合成 | TXDS | taxadiene synthase | 催化 | 紫杉醇骨架合成的关键环化酶 |
| S. cerevisiae | 青蒿素合成 | ADS | amorphadiene synthase | 催化 | 催化FPP环化为amorphadiene |
| Brassica oleracea | 类胡萝卜素合成 | Or | DnaJ cysteine-rich domain-containing protein | 调控 | 促进质体分化形成代谢汇，提高β-胡萝卜素积累 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 类胡萝卜素合成 | — | — | — | 天然高产虾青素的工业酵母 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素合成 | — | — | — | 野生型虾青素产量约3%干重 |
关键发现
- Lavandula latifolia中过表达DXS使叶片精油增加4.6倍、花中增加1.74倍
- Arabidopsis thaliana中过表达DXS使taxadiene产量提高6倍，TXDS和HDR共表达使taxadiene产量提高13倍
- 下调S. cerevisiae中ERG9使AMD产量提高5倍
- E. coli中异源MVA途径并添加甲羟戊酸，类胡萝卜素产量达503 mg/L
- 花椰菜中过表达Or基因，β-胡萝卜素浓度在杂合子中提高5倍、纯合子中提高8倍
- 敲除使E. coli番茄红素产量增加40%
- 优化菌株在24小时内每克细胞生产16 mg类胡萝卜素
- 不同宿主虾青素产量：Chlorella zofingiensis约0.1%、Nicotiana tabacum约0.24%、Xanthophyllomyces dendrorhous 0.4%-2.5%、Haematococcus pluvialis约3%（干重）。
研究结论
萜类代谢工程在异源宿主中已取得显著进展，利用合成生物学工具可以重构复杂的萜类生物合成途径，实现青蒿素、紫杉醇等高价值天然产物的微生物发酵生产。然而，代谢通量的精细调控、途径酶的未知步骤以及宿主适应性仍是主要挑战。未来的研究需要结合系统生物学和逆代谢工程，以更好地理解和优化异源萜类生产。