Metabolic engineering for advanced biofuels production and recent advances towards commercialization
- 作者
- Corey W. Meadows, Aram Kang, Taek Soon Lee
- 单位
- Joint BioEnergy Institute, 5885 Hollis Street, Emeryville, CA 94608, USA; Biological Systems & Engineering Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA
- 杂志
- Biotechnology Journal（2017）
- DOI
- 10.1002/biot.201600433
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
开发微生物生产先进生物燃料（醇类、异戊二烯类、脂肪酸类）并实现商业化，解决乙醇作为燃料的局限性，提高能量密度和燃料性能
研究策略
综述近年代谢工程策略，包括异源表达、通路优化、辅因子工程、动态调控、产物原位分离、亚细胞区室化、利用廉价碳源等，并总结商业化案例
研究路线图
核心内容
该综述系统梳理了利用代谢工程手段在微生物中生产先进生物燃料（包括醇类、异戊二烯类和脂肪酸类）的策略及商业化进展，旨在解决乙醇作为燃料在能量密度和燃烧性能上的局限。文章归纳了多种工程手段，如异源途径表达、辅因子平衡、动态调控、产物原位移除、亚细胞区室化以及利用廉价碳源，并强调了菌株改造与发酵过程优化的协同作用。关键结果包括：在大肠杆菌中通过强化丁醇合成通路并结合气体汽提，使异丁醇产量达到50 g/L；通过MVA途径优化与RBS工程，异戊烯醇产量达2.2 g/L，为理论产率的70%；在酿酒酵母中重构中心碳代谢，法尼烯补料分批产量高达130 g/L；大肠杆菌经动态调控和生长耦联筛选，脂肪酸产量达21.5 g/L；解脂耶氏酵母脂质产量达66.4 g/L，产率为0.229 g/g葡萄糖。这些数据显示，通过多层次的代谢网络优化和过程工程结合，先进生物燃料已具备规模化生产的潜力，多个商业化案例也已实现，但脂肪酸类燃料在燃料性能和成本控制方面仍需进一步改进。
创新点
系统总结了各种先进生物燃料的代谢工程进展和商业化成功案例，强调过程优化与菌株工程结合
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 丁醇合成通路 | ter | trans-2-enoyl-CoA reductase | 催化 | 异源表达，依赖NADH，用于提高n-丁醇产量 |
| Escherichia coli | 异丁醇合成通路 | ilvC, adhA | ketol-acid reductoisomerase, alcohol dehydrogenase | 催化 | 改造辅因子偏好（NADH vs NADPH）实现理论产率 |
| Saccharomyces cerevisiae | 异丁醇合成通路 | ilv2, ilv5, ilv3 | acetolactate synthase, ketol-acid reductoisomerase, dihydroxyacid dehydratase | 催化 | 全通路线粒体或胞质定位，线粒体定位产率更高（14.2 vs 6.4 mg/g葡萄糖） |
| Escherichia coli | MVA途径 | nudB | Nudix hydrolase | 催化 | 水解IPP/DMAPP生成异戊烯醇，RBS优化后产量达2.2 g/L |
| Escherichia coli | MVA途径 | idi | isopentenyl diphosphate isomerase | 催化 | 敲除idi可提高异戊烯醇产物纯度 |
| Escherichia coli | 单萜合成通路 | limonene synthase | limonene synthase from Mentha spicata | 催化 | 密码子优化后产量提高100倍以上，经PCAP蛋白组学优化达650 mg/L |
| Escherichia coli | 单萜合成通路 | pinene synthase | pinene synthase from Pinus taeda (evolved) | 催化 | 融合GPP合酶和pinene合酶，进化突变株产量达140 mg/L |
| Escherichia coli | 脂肪酸合成通路 | fadR | FadR transcript factor | 调控 | 动态调控脂肪酸合成，结合生长耦联选择产量达21.5 g/L |
| Escherichia coli | 脂肪酸合成通路 | fapR | FapR malonyl-CoA sensor | 调控 | 动态控制胞内丙二酰-CoA，产量达3.9 g/L |
| Escherichia coli | 脂肪酸合成通路 | tesA, fadD | acyl-ACP thioesterase, acyl-CoA synthetase | 催化 | 敲除内源硫酯酶促进脂肪醇合成，脂肪醇产量达6.3 g/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 脂肪酸衍生物通路 | MmCAR | carboxylic acid reductase from Mycobacterium marinum | 催化 | 将游离脂肪酸还原为脂肪醇，产量达1.5 g/L |
| Yarrowia lipolytica | 脂质合成通路 | ACC1, DGA1, SCD | acetyl-CoA carboxylase, diacylglycerol acyltransferase, stearoyl-CoA desaturase | 催化 | 过表达ACC1和DGA1使脂质占干重达61.7%；额外表达SCD提高生产力；最优乙酰-CoA通路使脂质达66.4 g/L |
| Escherichia coli | 烷烃合成通路 | aar, ado | acyl-ACP reductase, aldehyde-deformylating oxygenase | 催化 | 异源表达AAR和ADO，长链烷烃产量达1.3 g/L |
| Escherichia coli | β-氧化逆转通路 | fadB, fadA | fatty acid oxidation complex subunits | 催化 | 逆转β-氧化合成短链脂肪酸和醇类 |
| Escherichia coli | 甲基酮合成通路 | fadM, fadD, fadR | thioesterase fadM, acyl-CoA synthetase, regulator FadR | 调控 | 过表达fadR和fadD并敲除乙酸途径，甲基酮产量达3.4 g/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 异戊二烯合成通路 | erg9 | squalene synthase | 调控 | 下调erg9以减少竞争通量，用于提高单萜产量 |
关键发现
- E. coli中n-丁醇产量达30 g/L
- E. coli中异丁醇通过气体汽提原位产物移除达50 g/L
- S. cerevisiae中异丁醇通过多策略组合达1.6 g/L
- S. cerevisiae中n-丁醇最高达242.8 mg/L
- E. coli异戊烯醇经MVA途径优化和RBS优化后达2.2 g/L（理论产率的70%）
- E. coli香叶醇经两相发酵达2.0 g/L
- E. coli柠檬烯经蛋白组学指导优化达650 mg/L
- S. cerevisiae法尼烯经中心碳代谢重构达130 g/L（补料分批）
- E. coli脂肪酸经动态调控和生长耦联选择最高达21.5 g/L
- E. coli脂肪醇通过敲除硫酯酶达6.3 g/L
- Yarrowia lipolytica脂质产量达66.4 g/L（产率0.229 g/g葡萄糖，生产力0.565 g/L/h）
- E. coli β-石竹烯补料分批达1.5 g/L
- E. coli长链烷烃经模块化调控达1.3 g/L
- E. coli甲基酮经平衡fadR和fadD表达达3.4 g/L
研究结论
先进生物燃料的规模化生产需要高产量、高得率，同时结合下游分离和可持续原料，已有多个成功商业化案例，但脂肪酸类燃料仍需改进燃料性能并降低成本