Enhancing microbial production of biofuels by expanding microbial metabolic pathways
- 作者
- Ping Yu, Xingge Chen, Peng Li
- 单位
- College of Food Science and Biotechnology, Zhejiang Gongshang University, 149 Jiaogong Road, Hangzhou 310035, Zhejiang Province, People's Republic of China
- 杂志
- Biotechnology and Applied Biochemistry（2017）
- DOI
- 10.1002/bab.1529
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过扩展微生物的代谢途径（脂肪酸、异戊二烯和醇途径）来提高生物燃料的微生物生产效率，以解决传统化石燃料的替代问题。
研究策略
综述了通过基因工程手段扩展微生物脂肪酸、异戊二烯和醇来源的代谢途径来生产生物燃料的研究进展，包括过表达关键酶、敲除竞争途径、引入异源酶等策略，并比较了不同途径的优缺点。
研究路线图
核心内容
该文综述了通过扩展微生物代谢途径提升生物燃料生产效率的研究进展，重点围绕脂肪酸、异戊二烯及醇类三条合成途径展开。研究者采用过表达关键酶、敲除竞争途径及引入异源酶等基因工程策略，在大肠杆菌和酿酒酵母中进行途径改造。关键结果包括：将atfA、adhE和pdc基因导入大肠杆菌后脂肪酸乙酯产量达1.28 g/L，占细胞干重25.4%；调节FadR表达使脂肪酸产量提高7.5倍至5.2 g/L，反转β-氧化途径后产量可达7 g/L；在酿酒酵母中引入植物源合酶，bisabolene产量超过900 mg/L；通过工程化“+1”醇途径，调控Kivd和LeuA后(S)-3-甲基-1-戊醇产量提升逾百倍至793.5 mg/L，异丁醇经优化后达22 g/L，得率0.35 g/g葡萄糖，为理论最大值的86%。上述结果表明扩展代谢途径能显著提升生物燃料产量，但当前成本、遗传构建周期和产物可预测性仍制约其与传统燃料竞争，未来需加强宿主耐受性改造和模块化途径组装以实现工业化应用。
创新点
系统比较了脂肪酸和异戊二烯来源的生物燃料特性，提出了通过扩展代谢途径提高产量的多种策略，并指出了未来改进方向，如挖掘遗传元件、模块化途径组装、提高宿主耐受性等。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 脂肪酸合成途径 | atfA, adhE, pdc | WS/DGAT, AdhE, PDC | 催化 | 引入来自Acinetobacter baylyi的atfA和Zymomonas mobilis的adhE/pdc，生产脂肪酸乙酯，产量1.28 g/L |
| Escherichia coli | 脂肪酸合成途径 | accBCDA | 乙酰-CoA羧化酶 (ACC) | 催化 | 过表达ACC亚基提高丙二酰-CoA含量，增加脂肪酸产量 |
| Escherichia coli | 脂肪酸β-氧化途径 | fadE, fadD | 脂酰-CoA脱氢酶, 脂酰-CoA合成酶 | 催化 | 敲除fadE或fadD以减少脂肪酸降解，提高脂肪酸积累，如敲除fadE后脂肪酸含量提高4倍 |
| Escherichia coli | 脂肪酸合成途径 | fadR | FadR调控蛋白 | 调控 | 调节FadR表达可全局调控脂肪酸合成基因，使脂肪酸产量提高7.5倍至5.2 g/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 异戊二烯合成途径 | bisabolene synthase | 双环倍半萜合酶（植物来源） | 催化 | 异源表达植物来源的bisabolene合酶，产量超过900 mg/L |
| Escherichia coli | 异戊二烯合成途径 | pinene synthase, GPPS | 蒎烯合酶, 香叶基二磷酸合酶 | 催化 | 引入蒎烯合酶和GPP合酶，利用纤维素和木糖产蒎烯1.5 mg/L |
| Escherichia coli | 醇合成途径（Ehrlich途径） | kivd, adh2 | 2-酮酸脱羧酶（Kivd）, 醇脱氢酶（Adh2） | 催化 | 表达Lactococcus lactis的Kivd和酵母Adh2，生产C3-C5醇，异丁醇经优化达22 g/L |
| Escherichia coli | 醇合成途径（+1碳链延伸） | leuA, kivd, adh6 | 2-异丙基苹果酸合酶（LeuA）, 2-酮异戊酸脱羧酶（KIVD）, 醇脱氢酶VI | 催化 | 工程化LeuA和KIVD提高(S)-3-甲基-1-戊醇产量至793.5 mg/L |
关键发现
- 通过将atfA、adhE和pdc基因导入大肠杆菌，脂肪酸乙酯产量可达1.28 g/L（占细胞干重25.4%）
- 在酿酒酵母中扩展异戊二烯途径，双环倍半萜bisabolene产量超过900 mg/L
- 通过工程化“+1”醇途径，在调控Kivd和LeuA后，(S)-3-甲基-1-戊醇产量从6.5 mg/L提高到793.5 mg/L
- 异丁醇产量经优化后达到22 g/L，得率为0.35 g/g葡萄糖（理论最大值的86%）
- 调节FadR表达使大肠杆菌脂肪酸产量提高7.5倍至5.2 g/L
- 通过反转β-氧化途径，脂肪酸产量达7 g/L，得率0.28 g/g葡萄糖。
研究结论
通过扩展微生物代谢途径生产生物燃料具有巨大潜力，但需降低生产成本、缩短遗传构建时间、提高可预测性，并加强宿主耐受性和模块化设计，才能与传统化石燃料竞争。