Isoprene
- 作者
- Claudia E. Vickers, Suriana Sabri
- 杂志
- Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology（2014）
- DOI
- 10.1007/10_2014_303
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
异戊二烯是重要的工业化学品，主要来源于石油，需要开发可持续的生物合成方法；同时异戊二烯在植物抗逆中起作用，可工程化植物提高抗逆性。
研究策略
综述策略：通过引入和改造异戊二烯合酶（IspS），工程化上游MEP/MVA途径以增加前体DMAPP供应，优化中心碳代谢以平衡前体，并优化生物过程（如补料分批、回收）；在植物中则通过异戊二烯合酶表达赋予抗逆性。
研究路线图
核心内容
该综述系统梳理了微生物发酵与植物工程化生产异戊二烯的研究进展。在微生物方面，研究通过工程化异戊二烯合酶（IspS）并引入或改造MEP/MVA途径以增加前体DMAPP供应，同时优化中心碳代谢来平衡前体供给。代表性策略包括IspS截短与定点突变提升催化活性（如S288C+A3T突变使产量提升3-5倍），以及利用MVA异源途径实现最高产量。关键结果显示，在大肠杆菌中通过MVA途径工程化，异戊二烯产量最高达123.6 g/L，产率2.21 g/L/h，葡萄糖得率16.3–17.4%；而MEP途径工程化产量仅为314 mg/L，表明MVA途径在通量上更具优势。此外，枯草芽孢杆菌经改造后产量从野生型的50 μg/L/h提升至30 mg/L，聚球藻等光合蓝藻也可实现低水平生产。在植物方面，异戊二烯合酶的表达可增强植物抗逆性但产量较低。总体而言，微生物发酵已成为可持续生产异戊二烯的可行方案，但MEP途径通量和IspS催化性能的进一步优化仍是提升效率的关键方向。
创新点
创新点包括：多种IspS酶工程技术（截短、突变提高活性/热稳定性）、利用MVA途径获得最高产量、利用EDP/De Ley-Doudoroff途径平衡GA3P/丙酮酸、耐热光合蓝藻产异戊二烯、理论上的厌氧合成途径等。
研究对象（24）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | MEP | dxs | DXS (1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase) | 催化 | 过表达提供2-4倍异戊二烯增加 |
| Escherichia coli | MEP | dxr | DXR (deoxyxylulose 5-phosphate reductoisomerase) | 催化 | 与dxs共表达产量94 mg/L |
| Escherichia coli | MEP | idi | IDI (isopentenyl diphosphate isomerase) | 催化 | 与dxs共表达产量300 mg/L |
| Escherichia coli | MEP | ispG (gcpE) | IspG (HDS, hydroxymethylbutenyl diphosphate synthase) | 催化 | 4Fe-4S酶，过表达可提高产量 |
| Escherichia coli | MEP | ispH (lytB) | IspH (HDR, hydroxymethylbutenyl diphosphate reductase) | 催化 | 4Fe-4S酶，限制步骤 |
| Escherichia coli | MEP/电子传递 | fldA | flavodoxin I | 能量供给 | 提供电子给铁硫簇酶，过表达提高1-2倍 |
| Escherichia coli | 铁硫簇组装 | iscR | IscR (iron-sulfur cluster assembly repressor) | 调控 | 敲除提高比产率3倍但生长下降 |
| Escherichia coli | MVA（异源） | mvaE | MvaE (acetyl-CoA acetyltransferase/HMG-CoA reductase) | 催化 | 来自Enterococcus faecalis，双功能 |
| Escherichia coli | MVA（异源） | mvaS | MvaS (HMG-CoA synthase) | 催化 | 来自Enterococcus faecalis |
| Escherichia coli | MVA（异源） | MK (ERG12) | Mevalonate kinase | 催化 | 来自Saccharomyces cerevisiae，反馈耐性版本来自Methanosarcina mazei |
| Escherichia coli | MVA（异源） | PMK (ERG8) | Phosphomevalonate kinase | 催化 | 来自Saccharomyces cerevisiae |
| Escherichia coli | MVA（异源） | MVD (ERG19) | Diphosphomevalonate decarboxylase | 催化 | 来自Saccharomyces cerevisiae |
| Escherichia coli | MVA（异源） | idi (yeast) | IDI (isopentenyl diphosphate isomerase) | 催化 | 用于平衡IPP/DMAPP |
| Escherichia coli | 戊糖磷酸途径 | pgl | PGL (6-phosphogluconolactonase) | 催化 | 过表达提高比产率2-3倍 |
| Escherichia coli | TCA循环 | gltA | Citrate synthase | 催化 | 下调以减少乙酰-CoA竞争 |
| Escherichia coli | 磷酸酮醇酶途径 | pkl | Phosphoketolase | 催化 | 来自Enterococcus gallinarum，产量123.6 g/L |
| Escherichia coli | 异戊二烯合成 | IspS (P. alba) | Isoprene synthase (P. alba) | 催化 | 截短MEARR...，突变改善催化性质 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA（天然） | IspS (P. montana) | Isoprene synthase (P. montana) | 催化 | 产量约500 μg/L（含衍生物） |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA（天然） | IspS (M. bracteata) | Isoprene synthase (M. bracteata) | 催化 | 产量仅16.1 μg/L |
| Bacillus subtilis | 天然/异源 | IspS (kudzu) | Isoprene synthase (kudzu) | 催化 | 原产50 μg/L/h，工程后1.2 mg/L（批式），30 mg/L（补料分批） |
| Synechocystis sp. PCC6803 | MEP | IspS (P. montana) | Isoprene synthase (P. montana) | 催化 | 产量约50 μg/g DCW/day或100-130 μg/L |
| Thermosynechococcus elongatus | MEP | IspS (hybrid poplar) | Isoprene synthase (hybrid poplar) | 催化 | 携带热稳定性突变，25 μg/L per 30 min |
| Escherichia coli | EMP/PPP | pgi | Glucose-6-phosphate isomerase | 催化 | 敲除以将碳流导向PPP/EDP |
| Escherichia coli | PPP/EDP | gnd | Gluconate-6-phosphate dehydrogenase | 催化 | 敲除以阻断PPP，通量导向EDP |
关键发现
- E. coli中通过MVA途径工程最高产量达123.6 g/L，产率2.21 g/L/h，葡萄糖得率16.3-17.4%
- MEP途径工程最高314 mg/L
- 野生型B. subtilis产50 μg/L/h，工程后达30 mg/L
- Synechocystis产约50 μg/g DCW/day
- P. alba IspS截短后kcat提高2倍，Km提高1.3倍，Ki提高1.6倍，比活提高2倍
- IspS突变S288C+A3T提供3-5倍提升。
研究结论
微生物发酵已成为可持续生产异戊二烯的可行方案，最佳E. coli菌株产量达123.6 g/L；植物工程化可提升抗逆性但产量低；仍需进一步优化MEP途径通量及异戊二烯合酶催化性能。