Compartmentalization and transporter engineering strategies for terpenoid synthesis
- 作者
- Ke Jin, Hongzhi Xia, Yanfeng Liu, Jianghua Li, Guocheng Du, Xueqin Lv, Long Liu
- 单位
- Key Laboratory of Carbohydrate Chemistry and Biotechnology, Ministry of Education, Jiangnan University; Science Center for Future Foods, Jiangnan University; Richen Bioengineering Co., Ltd
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2022）
- DOI
- 10.1186/s12934-022-01819-z
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过区室化策略和转运体工程策略提高微生物细胞工厂中萜类化合物的合成效率，克服产物积累引起的细胞毒性和存储容量限制。
研究策略
系统综述了利用内质网、脂滴、过氧化物酶体、线粒体和质膜等亚细胞区室进行萜类合成途径的区室化策略，以及通过扩大细胞器膜面积增加存储容量、利用ABC转运体和外膜囊泡等转运系统进行产物外排的策略。
核心内容
该论文系统综述了通过区室化策略与转运体工程提升微生物细胞工厂萜类化合物合成效率的研究进展。针对产物积累引发的细胞毒性和存储容量限制，作者归纳了将合成途径关键酶定位于内质网、脂滴、过氧化物酶体、线粒体和质膜等亚细胞区室的策略，以及通过扩大细胞器膜面积增加存储容量、利用ABC转运体和外膜囊泡进行产物外排的转运工程手段。文中引证了大量代表性数据：如敲除PAH1使β-香树脂醇积累增加8倍；过表达INO2使角鲨烯产量达634 mg/L，提高128倍；将原人参二醇合酶靶向脂滴使化合物K产量达21.8 mg/L/OD，为内质网定位策略的4.4倍；敲除PEX30/PEX31使香叶醇产量提高80%；过表达ABC转运体SNQ2使β-胡萝卜素分泌量增加4.04倍；外膜囊泡策略使分泌量增加53倍。综述指出，区室化通过提高局部底物浓度和规避竞争代谢有效提升产量，膜扩展与转运工程则分别缓解存储瓶颈和产物毒性，未来结合AlphaFold与分子动力学模拟优化转运体特异性，并深入挖掘胞内转运机制，有望进一步突破产量上限。
创新点
系统归纳了不同细胞器区室化在萜类合成中的应用，提出了膜扩展与转运工程结合的理念，并展望了利用AlphaFold和分子动力学模拟设计转运体、挖掘胞内转运蛋白等未来方向。
研究对象（20）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 酿酒酵母 | 萜类合成/MVA通路 | PAH1 | 磷脂酸磷酸酶 | 催化 | 敲除PAH1导致内质网扩张，β-香树脂醇积累增加8倍，美迪紫檀素-28-O-葡萄糖苷产量27.1 mg/L |
| 酿酒酵母 | MVA通路 | INO2 | 转录因子Ino2 | 调控 | 过表达INO2引起内质网扩张，角鲨烯产量634 mg/L（提高128倍），人参皂苷12.1 mg/L（提高7倍） |
| 酿酒酵母 | 三萜合成 | GgbAS | β-香树脂醇合酶（来源于甘草） | 催化 | 在Δpah1菌株中积累增加，用于三萜类化合物生产 |
| 解脂耶氏酵母 | 脂质代谢 | YIDGA1 | 二酰甘油酰基转移酶 | 催化 | 过表达导致脂滴数量增多、体积变小 |
| 解脂耶氏酵母 | 脂质代谢 | YIDGA2 | 二酰甘油酰基转移酶 | 催化 | 过表达产生更大脂滴 |
| 酿酒酵母 | 脂滴生物发生 | PLN1 | 脂滴蛋白Pln1（perilipin） | 调控 | 作为导向蛋白将酶锚定到脂滴表面，提高局部酶浓度 |
| 酿酒酵母 | 人参皂苷合成 | PPDS | 原人参二醇合酶（细胞色素P450） | 催化 | 利用Pln1导向脂滴后，化合物K产量21.8 mg/L/OD，为内质网定位的4.4倍 |
| 酿酒酵母 | 脂滴/脂肪酸代谢 | FLD1 | Seipin | 调控 | 敲除FLD1调节脂滴大小，与OLE1过表达协同使番茄红素产量达70.5 mg/g CDW |
| 酿酒酵母 | 脂肪酸去饱和 | OLE1 | 脂肪酸去饱和酶 | 催化 | 过表达增加膜流动性和不饱和脂肪酸比例，提高萜类存储能力 |
| 酿酒酵母 | 过氧化物酶体生物发生 | PEX30/PEX31 | Peroxin家族蛋白 | 调控 | 敲除使过氧化物酶体数量增加5.6倍，香叶醇产量提高80% |
| 巴斯德毕赤酵母 | 类胡萝卜素合成 | crtE/crtB/crtI等（异源类胡萝卜素基因簇） | 类胡萝卜素合成酶 | 催化 | 靶向过氧化物酶体后番茄红素产量73.9 mg/L |
| 酿酒酵母 | MVA通路 | tHMG1 | 截短的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 解除反馈抑制，增强MVA通量，常与区室化策略联用 |
| 酿酒酵母 | 萜类前体合成 | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 线粒体靶向表达，与萜类合酶共同提高缬草烯和紫穗槐二烯产量（分别增加8倍和20倍） |
| 酿酒酵母 | 倍半萜合成 | VLS | 缬草烯合酶 | 催化 | 线粒体靶向，产量1.5 mg/L（比对照提高8倍） |
| 酿酒酵母 | 倍半萜合成 | ADS | 紫穗槐二烯合酶 | 催化 | 线粒体靶向，产量20 mg/L（比对照提高20倍） |
| 酿酒酵母 | 线粒体靶向 | COX IV前序列 | 线粒体靶向信号肽（MTS） | 区室化 | 常用的线粒体基质靶向信号，可被切割以保持酶活性 |
| 大肠杆菌 | 膜脂合成 | plsB/plsC | 甘油-3-磷酸酰基转移酶/1-酰基甘油-3-磷酸酰基转移酶 | 催化 | 过表达增加膜表面面积，增强膜合成，β-胡萝卜素产量提高2.9倍 |
| 大肠杆菌 | 趋化信号 | tsr | 丝氨酸趋化受体Tsr | 调控 | 过表达使内膜内褶并扩张膜面积，角鲨烯产量提高2.25倍 |
| 酿酒酵母 | ABC转运 | SNQ2 | ABC转运体Snq2 | 转运 | 过表达使β-胡萝卜素分泌增加4.04倍，胞内产量增加1.33倍 |
| 大肠杆菌 | 外膜囊泡形成 | 相关囊泡形成基因 | 外膜囊泡相关蛋白 | 转运 | 促进外膜囊泡形成并补偿膜成分损失，β-胡萝卜素分泌量增加53倍 |
关键发现
- 综述中报道了多种具体数据：敲除PAH1使β-香树脂醇积累增加8倍，美迪紫檀素-28-O-葡萄糖苷产量达27.1 mg/L（增加16倍）
- 过表达INO2使角鲨烯产量达634 mg/L（提高128倍）、人参皂苷产量达12.1 mg/L（提高7倍）
- 将原人参二醇合酶靶向脂滴使化合物K产量达21.8 mg/L/OD，为内质网定位策略的4.4倍
- 敲除PEX30和PEX31使过氧化物酶体数量增加5.6倍，香叶醇产量提高80%
- 线粒体靶向FPP合酶和倍半萜合酶使缬草烯和紫穗槐二烯产量分别提高8倍和20倍
- 过表达Tsr使角鲨烯产量增加2.25倍
- 过表达ABC转运体SNQ2使β-胡萝卜素分泌量增加4.04倍、胞内产量增加1.33倍
- 通过外膜囊泡策略使β-胡萝卜素分泌量增加53倍。此外，过表达DGAT1使α-香树脂醇产量比对照提高106倍
- 敲除FLD1并过表达OLE1使番茄红素产量达70.5 mg/g CDW，比原始高产菌株提高25%。
研究结论
区室化策略通过将关键酶定位于合适的细胞器，提高了局部底物浓度并避免了竞争性代谢，是提高萜类产量的有效手段；膜扩展可增加存储容量，但需注意细胞器间平衡；转运工程能缓解产物毒性并促进产物回收。未来应结合蛋白质结构预测和分子动力学模拟优化转运体特异性，并深入挖掘胞内转运机制以进一步提高产量。