Metabolic Engineering of Isoprenoids
- 作者
- Robert Barkovich, James C. Liao
- 单位
- Department of Chemical Engineering, University of California, Los Angeles, California 90095
- 杂志
- Metabolic Engineering（2001）
- DOI
- 10.1006/mben.2000.0168
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
类异戊二烯化合物在医药和工业上具有重要价值，但其生物合成途径复杂，底盘细胞中前体供应不足、代谢通量受限，导致产量低下，亟需系统的代谢工程改造策略。
研究策略
系统综述类异戊二烯生物合成的两条途径（MVA途径和G3P/丙酮酸途径），总结通过基因过表达、随机突变、定向进化、代谢通量重定向、人工调控回路等手段提高单萜、倍半萜、二萜和类胡萝卜素产量的研究进展。
研究路线图
核心内容
该研究系统综述了类异戊二烯代谢工程的进展，聚焦于甲羟戊酸（MVA）和甘油醛-3-磷酸/丙酮酸（G3P/丙酮酸）两条合成途径，旨在解决前体供应不足和代谢通量受限导致的产量低下问题。文章梳理了类异戊二烯前体IPP、DMAPP、GPP、FPP和GGPP供给优化的多种策略，包括关键基因过表达、随机突变、定向进化及代谢通量重定向等手段。在关键结果方面，过表达dxs、dxr和idi可使大肠杆菌类胡萝卜素产量提高3.5倍，而同时表达Archaeoglobus fulgidus的GGPP合酶与idi则将虾青素产量提升50倍。在产朊假丝酵母中，过表达HMG-CoA还原酶并破坏ERG9基因使番茄红素产量提高7倍。此外，利用类胡萝卜素的颜色表型进行筛选，实现了随机突变和定向进化的高效迭代。研究还展示了在酵母和植物中异源构建完整类异戊二烯途径的可行性，并引入人工调控回路进一步优化产量。这些结果说明，通过组合工程策略系统优化前体供给与酶活，能够在微生物底盘实现多种高值类异戊二烯的高效合成，为后续工业化应用和途径扩展奠定了重要基础。
创新点
['梳理了非甲羟戊酸途径（G3P/丙酮酸途径）的基因鉴定与功能研究', '总结了类异戊二烯前体（IPP/DMAPP/GPP/FPP/GGPP）供给的工程优化策略', '报道了利用类胡萝卜素颜色筛选进行随机突变和定向进化', '引入了人工代谢调控回路改善番茄红素产量', '在酵母和植物中实现异源类异戊二烯途径构建']
研究对象（22）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 类异戊二烯合成途径（G3P/丙酮酸途径） | dxs | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 催化DXP合成，过表达可提高类胡萝卜素产量 |
| Escherichia coli | 类异戊二烯合成途径（G3P/丙酮酸途径） | dxr | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 催化DXP转化为MEP，与dxs共同过表达提高类胡萝卜素产量 |
| Escherichia coli | 类异戊二烯合成途径 | idi | 异戊烯基焦磷酸异构酶 | 催化 | 催化IPP异构化为DMAPP，过表达可解除限速步骤 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素合成途径 | crtE | 香叶基香叶基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化FPP转化为GGPP，过表达提高类胡萝卜素产量约20% |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素合成途径 | crtB | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 催化两分子GGPP缩合生成八氢番茄红素 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素合成途径 | crtI | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 催化八氢番茄红素脱氢生成番茄红素 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素合成途径 | crtY | 番茄红素环化酶 | 催化 | 催化番茄红素环化生成β-胡萝卜素，可用于体外进化 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素合成途径 | crtW | β-胡萝卜素酮化酶 | 催化 | 来自Agrobacterium aurantiacum，催化β-胡萝卜素生成角黄素 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素合成途径 | crtZ | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 催化角黄素转化为虾青素 |
| Escherichia coli | 类异戊二烯合成途径 | pps | 磷酸烯醇式丙酮酸合酶 | 催化 | 将过量丙酮酸转化为磷酸烯醇式丙酮酸，增加G3P/丙酮酸途径前体供应 |
| Escherichia coli | 类异戊二烯合成途径 | ispB | 八异戊烯基焦磷酸合酶 | 催化 | 天然合成八异戊烯基焦磷酸，与泛醌侧链长度相关 |
| Saccharomyces cerevisiae | 类异戊二烯合成途径（MVA途径） | crtE, crtB, crtI | GGPP合酶、八氢番茄红素合酶、八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 引入Erwinia uredovora基因，使酵母产生番茄红素，麦角固醇降低10% |
| Saccharomyces cerevisiae | 泛醌合成途径 | COQ1 | 六异戊烯基焦磷酸合酶 | 催化 | 编码六异戊烯基焦磷酸合酶，与泛醌侧链长度相关 |
| Candida utilis | 类异戊二烯合成途径（MVA途径） | crtE, crtB, crtI | GGPP合酶、八氢番茄红素合酶、八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 利用酵母启动子表达，产生番茄红素、β-胡萝卜素和虾青素，麦角固醇降低35% |
| Candida utilis | 类异戊二烯合成途径 | HMG-CoA reductase | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 过表达增加类异戊二烯前体通量 |
| Candida utilis | 类异戊二烯合成途径 | ERG9 | 角鲨烯合酶 | 催化 | 破坏ERG9减少角鲨烯合成，与HMG-CoA还原酶过表达协同使番茄红素提高7倍 |
| Bacillus stearothermophilus | 类异戊二烯合成途径 | FPP synthase | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 在E. coli中过表达可占可溶性蛋白20%，具有热稳定性 |
| Sulfolobus acidocaldarius | 类异戊二烯合成途径 | GGPP synthase | 香叶基香叶基焦磷酸合酶 | 催化 | 利用类胡萝卜素颜色筛选克隆，在E. coli中表达具有更高比活和热稳定性 |
| Archaeoglobus fulgidus | 类异戊二烯合成途径 | GGPP synthase | 香叶基香叶基焦磷酸合酶 | 催化 | 多功能GGPP合酶，与idi共表达使虾青素产量提高50倍 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素合成途径 | crtO | β-C-4-氧合酶 | 催化 | 合成酮类胡萝卜素的关键酶，在蓝藻中表达可产生虾青素 |
| Synechococcus PCC7942 | 类胡萝卜素合成途径 | crtO | β-C-4-氧合酶 | 催化 | 异源表达后内源β-胡萝卜素和玉米黄素被转化为虾青素等酮类胡萝卜素 |
| 植物（水稻胚乳） | 类胡萝卜素合成途径 | psy（来自水仙） | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 在转基因水稻中过表达，积累八氢番茄红素，用于维生素A强化 |
关键发现
- FPP synthase在E. coli中过表达可占可溶性蛋白的20%
- 过表达dxs、dxr和idi可提高类胡萝卜素产量3.5倍
- 同时过表达Archaeoglobus fulgidus的GGPP合酶和E. coli idi使虾青素产量提高50倍
- 过表达crtE可提高类胡萝卜素产量约20%
- 在Candida utilis中引入crtE/crtB/crtI后麦角固醇降低35%，额外过表达HMG-CoA还原酶并破坏ERG9基因使番茄红素产量提高7倍
- 在S. cerevisiae中表达crtE/crtB/crtI产生番茄红素并伴随麦角固醇降低10%。
研究结论
类异戊二烯代谢工程已取得显著进展，通过鉴定新途径基因、优化前体供给、工程化关键酶和调控代谢通量，可在微生物和植物中实现多种类异戊二烯的高产。未来随着更多基因的发现和新技术的发展，该领域具有广阔前景。