Advancement of Biotechnology by Genetic Modifications

解决的核心问题

如何利用遗传修饰技术改良微生物菌株，提高氨基酸、有机酸、醇类、抗生素、重组蛋白等工业产物的产量和性能。

研究策略

综述了代谢工程、反向代谢工程、DNA改组、全基因组改组、系统生物学等策略，通过基因扩增、启动子替换、基因敲除、异源表达等手段对微生物进行系统改造。

研究路线图

100%

核心内容

该文系统综述了遗传修饰技术在微生物菌株改良中的应用，旨在提升氨基酸、有机酸、醇类等工业产物的生产能力。作者整合了代谢工程、反向代谢工程、DNA改组、全基因组改组及系统生物学等多层次策略，通过基因扩增、启动子替换、基因敲除与异源表达等手段，对谷氨酸棒杆菌和大肠杆菌等底盘菌株进行系统性改造。文中报道了多项高产实例，如L-赖氨酸盐酸盐产量达170 g/L，柠檬酸超过200 g/L；表达透明颤菌血红蛋白基因vgb可促进谷氨酸积累，而嵌合天冬氨酸激酶突变体BT3的体外活性提高160%。通过系统代谢工程，大肠杆菌产L-苏氨酸最高达118 g/L，谷氨酸棒杆菌产L-赖氨酸可达120 g/L且产率为0.55 g/g葡萄糖。这些结果说明，遗传修饰技术显著提升了工业微生物的产物合成水平，是推动生物技术产业进步的核心驱动力。

创新点

系统整合了多种现代遗传修饰技术，包括基因组改组、定向进化、基于基因组重建的菌株优化等，并展示了在多种工业微生物中实现的高产实例。

研究对象（38）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Corynebacterium glutamicum	谷氨酸生物合成	vgb	透明颤菌血红蛋白	能量供给	提高细胞生长和谷氨酸/谷氨酰胺产量
Corynebacterium glutamicum	磷酸酮醇酶途径	xfp	磷酸酮醇酶	催化	来自Bifidobacterium animalis，谷氨酸产量提高9%
Corynebacterium glutamicum	磷酸戊糖途径	gnd	6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶	催化	突变使赖氨酸产量提高15%
Corynebacterium glutamicum	中心碳代谢	mgo	苹果酸:醌氧化还原酶	催化	突变使赖氨酸产量提高，titer达95 g/L
Corynebacterium glutamicum	赖氨酸生物合成	—	天冬氨酸激酶嵌合体BT3	催化	由芽孢杆菌和嗜热菌片段组装，体外活性提高160%
Escherichia coli	苏氨酸生物合成	thrABC	天冬氨酸激酶I/高丝氨酸激酶/苏氨酸合酶	催化	多拷贝表达提高苏氨酸产量
Escherichia coli	苏氨酸降解	tdh	苏氨酸脱氢酶	催化	失活避免苏氨酸降解
Escherichia coli	缬氨酸生物合成	ilvBN	乙酰羟酸合酶	催化	过表达提高缬氨酸产量
Escherichia coli	缬氨酸调控	lrp	全局转录调控因子Lrp	调控	过表达提高缬氨酸产量21.6%
Escherichia coli	缬氨酸转运	ygaZH	L-缬氨酸输出蛋白	转运	过表达提高缬氨酸产量47.1%
Escherichia coli	中心代谢	aceF	丙酮酸脱氢酶E2亚基	催化	敲除提高缬氨酸产量
Corynebacterium glutamicum	缬氨酸生物合成	ilvA	苏氨酸脱氨酶	催化	敲除减少副产物，提高缬氨酸产量
Corynebacterium glutamicum	缬氨酸转运	brnFE	支链氨基酸输出系统BrnFE	转运	过表达提高缬氨酸产量
Escherichia coli	丙氨酸生物合成	alaD	丙氨酸脱氢酶	催化	来自Bacillus sphaericus或Geobacillus stearothermophilus，生产L-丙氨酸
Escherichia coli	丙氨酸代谢	mgsA	甲基乙二醛合酶	催化	删除减少副产物
Escherichia coli	羟基脯氨酸生物合成	p4h	脯氨酸4-羟化酶	催化	来自Dactylosporangium sp.，生产trans-4-羟基-L-脯氨酸
Serratia marcescens	脯氨酸生物合成	proB	γ-谷氨酰激酶	催化	突变解除反馈抑制，提高脯氨酸产量
Escherichia coli	乳酸生物合成	ldhA	乳酸脱氢酶	催化	异源表达或删除影响乳酸/丙氨酸产量
Saccharomyces cerevisiae	乳酸生物合成	ldh	L-乳酸脱氢酶（牛源）	催化	六个拷贝产生122 g/L乳酸
Kluyveromyces lactis	乳酸生物合成	ldh	L-乳酸脱氢酶（牛源）	催化	表达产生109 g/L乳酸
Mannheimia succiniciproducens	琥珀酸生物合成	—	—	催化	代谢工程改造产量52 g/L，产率1.16 mol/mol葡萄糖
Clostridium tyrobutyricum	丁酸生物合成	—	—	催化	产量80 g/L，产率0.45 g/g葡萄糖
Escherichia coli	乙醇生物合成	pdc, adhB	丙酮酸脱羧酶, 醇脱氢酶II	催化	来自Zymomonas mobilis，产43 g/L乙醇
Escherichia coli	1,3-丙二醇生物合成	dhaB, dhaT等	甘油脱水酶等	催化	引入八个新基因从DHAP合成PDO，产量135 g/L
Escherichia coli	甘露醇生物转化	mdb, fdh, glf	甘露醇脱氢酶, 甲酸脱氢酶, 葡萄糖易化蛋白	催化	分别来自Leuconostoc pseudomesenteroides、Mycobacterium vaccae、Zymomonas mobilis，产75-91 g/L
Lactobacillus plantarum	山梨醇生物合成	srID1, srID2	山梨醇-6-磷酸脱氢酶	催化	过表达提高产量
Aspergillus niger	柠檬酸生物合成	—	—	催化	产量超200 g/L
Streptomyces clavuligerus	棒酸生物合成	gap1, gap2	甘油醛-3-磷酸脱氢酶	催化	失活使棒酸产量加倍
Penicillium chrysogenum	青霉素生物合成	cefD, cefE	异青霉素N差向异构酶/脱乙酰氧头孢菌素C合成酶	催化	来自细菌，生产DAOC
Escherichia coli	头孢菌素中间体	daao, acy	D-氨基酸氧化酶, 戊二酰-7-ACA酰基转移酶	催化	共表达生产7-ACA
Bacillus subtilis	核黄素生物合成	ribA	3,4-二羟基-2-丁酮-4-磷酸合酶	催化	过表达产15 g/L核黄素
Escherichia coli	生物素生物合成	bioABFCD	生物素合成酶等	催化	多拷贝质粒表达产量提高10000倍
Erwinia herbicola	维生素C中间体	dkdr	2,5-二酮-D-葡萄糖酸还原酶	催化	来自Corynebacterium，产2-KGA
Gluconobacter oxydans	2-酮基-L-古龙酸	—	L-山梨糖脱氢酶, L-山梨糖酮脱氢酶	催化	产130 g/L 2-KGA
Saccharomyces cerevisiae	异丁醇生物合成	—	2-酮酸脱羧酶等	催化	工程化产22 g/L异丁醇
Nocardia lactamdurans	头霉素C生物合成	lat	赖氨酸-氨基转移酶	催化	过表达提高产量
Streptomyces clavuligerus	头霉素C/棒酸生物合成	ccaR	途径特异性转录激活因子CcaR	调控	高表达提高抗生素产量2-3倍
Acremonium chrysogenum	头孢菌素C生物合成	cefEF, cefE	DAOC合成酶/羟化酶, 脱乙酰氧头孢菌素C合成酶	催化	基因操作导致积累青霉素N或生产DAOC

关键发现

文中报道了多种工程菌株的产量数据：L-谷氨酸可达150 g/L，L-赖氨酸盐酸盐可达170 g/L
通过表达透明颤菌血红蛋白基因vgb提高谷氨酸产量
嵌合天冬氨酸激酶突变体BT3体外活性提高160%
C. glutamicum系统代谢工程菌株产L-赖氨酸120 g/L，产率0.55 g/g葡萄糖
E. coli经系统代谢工程产L-苏氨酸82.4 g/L，另一菌株可达118 g/L
L-缬氨酸工程菌最高产51 g/L
L-异亮氨酸最高35.26 g/L
L-丙氨酸最高120.8 g/L
L-脯氨酸最高超100 g/L
羟基脯氨酸41 g/L
柠檬酸产量超200 g/L
乙酸最高97 g/L
乳酸最高122 g/L
琥珀酸99 g/L
丁酸80 g/L
苹果酸125 g/L
乙醇120 g/L
1,3-丙二醇135 g/L
D-甘露醇145 g/L
山梨醇290 g/L
异丁醇22 g/L
核黄素25 g/L
生物素超1 g/L
维生素C中间体2-KGA达130 g/L
维生素B12达150 mg/L
棒酸产量提高30倍
青霉素提高30倍等。

研究结论

遗传修饰技术大幅提升了微生物生产工业产物的能力，并催生了许多高效菌株，是生物技术产业进步的核心驱动力。