Improved production of β-carotene in light-powered Escherichia coli by co-expression of Gloebacter rhodopsin expression
- 作者
- Chao-Yu Lee, Kai-Wen Chen, Chih-Lu Chiang, Hsuan-Yu Kao, Hao-Cheng Yu, Hsiao-Ching Lee, Wen-Liang Chen
- 单位
- Institute of Molecular Medicine and Bioengineering, Department of Biological Science & Technology, National Yang Ming Chiao Tung University; Department of Mechanical Engineering, National Yang Ming Chiao Tung University; Department Of Civil Engineering, National Yang Ming Chiao Tung University
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2023）
- DOI
- 10.1186/s12934-023-02212-0
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
大肠杆菌细胞工厂在生物合成中面临能量供给不足和代谢负担，导致重组蛋白和化合物产量受限。
研究策略
在E. coli BL21(DE3)中共表达Gloebacter rhodopsin与GFP的融合蛋白（GR-GFP），利用光驱动质子泵提供额外质子驱动力，增强ATP供给，以改善细胞代谢和生产能力。
核心内容
针对大肠杆菌细胞工厂在生物合成中能量供给不足、代谢负担重的问题，本研究在E. coli BL21(DE3)中共表达了来自Gloebacter的视紫红质与GFP的融合蛋白（GR-GFP），利用光驱动质子泵提供额外质子驱动力，以增强ATP供给并改善细胞代谢。实验中通过芯片光电检测活体细菌的质子泵活性，并考察了GR对糖酵解、重组蛋白及β-胡萝卜素合成的影响。结果显示，表达GR-GFP的菌株β-胡萝卜素产量较野生型提高1.36倍、较空载体对照提高2.32倍，葡萄糖消耗速率加快2.9倍，糖酵解关键基因ptsG、pgk、pyk分别上调5.95、2.79和20.92倍；光电流初始斜率显著高于对照（0.0369 nA/s对0.0067 nA/s），且在叠氮化钠存在下GR宿主仍可生长而对照死亡。该研究表明GR-GFP融合蛋白在大肠杆菌中具备功能性质子泵活性，通过提供额外的质子驱动力改善细胞能量状态，提升重组蛋白和β-胡萝卜素产量，为光驱动生物合成提供了可行策略。
创新点
首次将GR以融合蛋白GR-GFP形式应用于E. coli；利用芯片光电检测活体细菌的质子泵活性；证明GR可促进葡萄糖摄取和糖酵解基因表达；提高β-胡萝卜素和RFP产量。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli BL21(DE3) | 光驱动质子泵 | GR | Gloebacter rhodopsin | 能量供给 | 融合蛋白GR-GFP的组分，光驱动质子泵，提供质子驱动力 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | β-胡萝卜素合成 | crtE | GGPP synthase (CrtE) | 催化 | 催化牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | β-胡萝卜素合成 | crtB | phytoene synthase (CrtB) | 催化 | 催化八氢番茄红素合成 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | β-胡萝卜素合成 | crtI | phytoene desaturase (CrtI) | 催化 | 催化八氢番茄红素脱氢 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | β-胡萝卜素合成 | crtY | lycopene cyclase (CrtY) | 催化 | 催化番茄红素环化 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 糖酵解 | ptsG | PtsG (EIICB component) | 转运 | 葡萄糖磷酸转移酶系统，运输并磷酸化葡萄糖 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 糖酵解 | pgk | Phosphoglycerate kinase | 催化 | 糖酵解中催化1,3-二磷酸甘油酸→3-磷酸甘油酸 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 糖酵解 | pyk | Pyruvate kinase | 催化 | 糖酵解中催化磷酸烯醇丙酮酸→丙酮酸 |
关键发现
- β-胡萝卜素产量较野生型提高1.36倍，较空载体对照提高2.32倍
- 葡萄糖消耗速率加快2.9倍
- 生长速率略快（0.188 O.D.600/h vs 0.180 O.D.600/h）
- 糖酵解基因ptsG、pgk、pyk分别上调5.95、2.79、20.92倍
- 光电流初始斜率0.0369 nA/s（对照0.0067 nA/s）
- 在0.001%叠氮化钠存在下，GR宿主仍可生长而对照死亡。
研究结论
GR-GFP融合蛋白在大肠杆菌中具有功能性质子泵活性，通过提供额外PMF改善细胞能量状态，提高重组蛋白RFP和β-胡萝卜素产量，为光驱动生物合成提供了新策略。