Engineered Isoprenoid Pathway Enhances Astaxanthin Production in Escherichia coli
- 作者
- Chia-Wei Wang, Min-Kyu Oh, James C. Liao
- 单位
- Department of Chemical Engineering, University of California, Los Angeles, California 90095-1592
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（1999）
- DOI
- 10.1002/(sici)1097-0290(19990120)62:2<235::aid-bit14>3.0.co;2-u
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
大肠杆菌中异戊二烯前体（尤其GGPP）供应不足，导致异戊二烯类化合物产量低，难以支持虾青素等产物的体内高效合成。
研究策略
克隆并过表达大肠杆菌的IPP异构酶基因idi和来自Archaeoglobus fulgidus的多功能GGPP合酶基因gps，同时引入来自Agrobacterium aurantiacum的虾青素合成基因簇crtBIYZW；通过不同基因组合的比较，系统分析并解除从IPP到GGPP途径中的限速步骤。
研究路线图
创新点
首次利用古细菌A. fulgidus的多功能GGPP合酶（gps）直接由DMAPP合成GGPP；鉴定出GGPP生产中依次出现的三个限速步骤（GGPP合成、IPP异构化、FPP合成）；通过共表达idi和gps使虾青素产量比文献报道提高50倍以上。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli VJS676 | 异戊二烯生物合成途径 | idi | IPP异构酶 | 催化 | 来自大肠杆菌，催化IPP与DMAPP之间的异构化，源于基因组O182开放阅读框。 |
| Escherichia coli VJS676 | 异戊二烯生物合成途径 | gps | GGPP合酶（多功能） | 催化 | 来自Archaeoglobus fulgidus，可直接以DMAPP为底物合成GGPP，也能利用GPP或FPP。 |
| Escherichia coli VJS676 | 异戊二烯生物合成途径 | ispA | FPP合酶 | 催化 | 来自大肠杆菌，催化IPP和DMAPP生成FPP。 |
| Escherichia coli VJS676 | 异戊二烯生物合成途径 | crtE | GGPP合酶 | 催化 | 来自Erwinia uredovora，催化FPP生成GGPP。 |
| Escherichia coli VJS676 | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtBIYZW | 类胡萝卜素合成酶系 | 催化 | 来自Agrobacterium aurantiacum，将GGPP转化为虾青素，包括八氢番茄红素合酶、脱氢酶、环化酶、羟化酶和酮化酶等。 |
关键发现
- 过表达idi和gps的菌株在含0.2%葡萄糖的LB培养基中虾青素产量最高达1418.8 μg/g干重（图4中约1.25 mg/g），是文献报道值25 μg/g干重的50倍
- 限速步骤依次为FPP到GGPP的转化、IPP异构化和FPP合成，例如crtE+idi+ispA组合产量为390.3 μg/g，crtE+idi为234.1 μg/g，仅crtE为32.8 μg/g
- 而gps+idi组合产量最高。
研究结论
通过过表达idi和gps显著提高大肠杆菌中GGPP的供应，实现了虾青素的高水平生产；该策略可推广至其他GGPP衍生的异戊二烯化合物的体内合成，为构建异戊二烯库奠定了基础。