Bioprocess Engineering for Microbial Synthesis and Conversion of Isoprenoids
- 作者
- Hendrik Schewe, Marco Antonio Mirata, Jens Schrader
- 杂志
- Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology（2015）
- DOI
- 10.1007/10_2015_321
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
异戊二烯类化合物（萜类）的微生物合成与转化过程中，产物的疏水性、挥发性和细胞毒性导致产物抑制、产品损失及产量低下，且缺乏工业规模的有效生物过程。需要开发适当的原位产物移除（ISPR）技术以解决这些问题。
研究策略
系统综述并分类用于异戊二烯微生物合成与转化的ISPR技术，包括直接接触（双液相、固相萃取）和间接接触（气提、渗透汽化、膜萃取）等方法；同时讨论溶剂耐受性微生物及其工程化策略作为替代方案。
核心内容
异戊二烯类化合物作为重要大宗化学品和药物前体，其微生物合成长期受制于产物疏水、易挥发与细胞毒性带来的产量瓶颈。该综述系统梳理了面向此类化合物的原位产物移除技术，将其分为以双液相萃取和固相吸附为代表的直接接触法，以及以气提、渗透汽化和膜萃取为代表的间接接触法，并探讨了溶剂耐受性宿主作为替代策略。关键数据表明，柠檬烯在水中的饱和溶解度仅为0.15 mM，在3升反应器中以1000 rpm转速和0.9 L/min通气条件下，7.5 mg/L的柠檬烯水溶液可在30分钟内被完全气提移除，证实了气提法的高效性。在工程改造方面，在大肠杆菌中异源表达来自Alcanivorax borkumensis的RND外排泵可使柠檬烯产量提高64%；向酿酒酵母引入Grossmannia clavigera来源的ABC转运蛋白GcABC-G1可显著增强其在单萜混合物中的存活能力；外膜蛋白AlkL则通过促进柠檬烯和紫苏醇的跨膜转运提升革兰氏阴性菌的反应速率。这些结果表明，将产物分区策略与宿主耐受性工程相结合是突破产量瓶颈的关键。然而，当前多数ISPR方案仍停留在实验室规模，未来须将系统生物学、代谢工程与过程工程深度融合，并考虑采用天然溶剂耐受菌株如恶臭假单胞菌或对传统宿主进行定向改造，方能推动异戊二烯生物过程走向工业化。
创新点
对异戊二烯特异性ISPR技术进行全面分类与比较；提出将溶剂耐受性机制转移到传统宿主（如大肠杆菌、酵母）的策略；强调过程工程与代谢工程整合对工业化的重要性。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | — | 来自Alcanivorax borkumensis的RND外排泵基因 | RND efflux pump | 转运 | 异源表达提高柠檬烯耐受性，使柠檬烯产量提高64% |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA pathway | GcABC-G1 | GcABC-G1（ABC转运蛋白） | 转运 | 来自Grossmannia clavigera，增强单萜混合物耐受性 |
| Escherichia coli | — | alkL | AlkL（外膜蛋白） | 转运 | 增强外膜对柠檬烯和紫苏醇的跨膜转运，提高反应速率 |
| Pseudomonas putida | — | — | — | — | 作为溶剂耐受性宿主被讨论，遗传工具不如大肠杆菌和酵母 |
| — | MEP/DXP pathway | — | — | 催化 | 异戊二烯前体IPP的生物合成途径之一 |
| — | MVA pathway | — | — | 催化 | 异戊二烯前体IPP的生物合成途径之一 |
| Escherichia coli | — | CYP153A6 | CYP153A6（P450单加氧酶） | 催化 | 催化(S)-柠檬烯羟基化，效率受宿主背景影响，AlkL可促进底物摄取 |
关键发现
- 柠檬烯在水中的饱和溶解度为0.15 mM，carveol为19 mM
- 在3 L反应器中，转速1000 rpm、通气量0.9 L/min条件下，7.5 mg/L的柠檬烯水溶液在30分钟内被完全气提移除
- 在大肠杆菌中异源表达来自Alcanivorax borkumensis的RND外排泵，使柠檬烯产量提高了64%
- 异源表达来自Grossmannia clavigera的ABC外排转运蛋白GcABC-G1增强了酿酒酵母在单萜混合物（含(+)-柠檬烯、(+)-3-蒈烯、外消旋α-蒎烯和(-)-β-蒎烯）中的存活
- 膜蛋白AlkL可增强革兰氏阴性菌大肠杆菌外膜对单萜底物柠檬烯和产物紫苏醇的跨膜转运，提高反应速率。
研究结论
工业规模的异戊二烯生物过程几乎必须依赖ISPR技术进行生物催化剂与底物/产物的分区，以避免抑制/毒性及产品挥发损失；然而目前多数研究仍停留于实验室概念验证。未来需要将系统生物学、代谢工程和过程工程整合进行规模化开发；选用溶剂耐受性宿主（如Pseudomonas putida）或通过基因工程改造传统宿主的溶剂耐受性均是可行的方向。