New aspects of microbial vitamin K2 production by expanding the product spectrum
- 作者
- Zimeng Zhang, Linxia Liu, Chuan Liu, Yumei Sun, Dawei Zhang
- 单位
- School of Biological Engineering, Dalian Polytechnic University; Key Laboratory of Systems Microbial Biotechnology, Chinese Academy of Sciences; Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinese Academy of Sciences; National Technology Innovation Center of Synthetic Biology; University of Chinese Academy of Sciences
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2021）
- DOI
- 10.1186/s12934-021-01574-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
微生物生产维生素K2（特别是MK-7）产量低、成本高，需要系统的代谢工程策略来提高产量。本文从扩展产品谱系的角度，综述了通过莽草酸途径、聚异戊二烯途径、甲萘醌途径及膜工程等策略增强维生素K2生物合成的进展。
研究策略
综述策略：系统梳理维生素K2的生物合成途径（经典MK途径和futilosine途径），并从产品谱系扩展的角度，分析针对莽草酸途径、聚异戊二烯途径、MK途径的代谢工程改造以及膜工程在提高MK-7产量中的应用，同时借鉴其他异戊二烯类化合物和莽草酸衍生化合物的工程经验。
核心内容
该综述从扩展产品谱系的新视角系统梳理了微生物维生素K2生物合成的研究进展。文章首先阐明维生素K2的经典甲萘醌途径与futilosine途径，然后从莽草酸途径、聚异戊二烯途径、甲萘醌途径的代谢工程改造以及膜工程四个层面，整合分析了提升MK-7等长链维生素K2产量的策略。文中汇总了大量代表性工程案例，例如在枯草芽孢杆菌中依次过表达ispDFHG使MK-7产量达415 mg/L，较原始菌株提高29%；在大肠杆菌中过表达HepPPS并优化MVA途径使MK-7产量达2.3 μM，提高22倍；在乳酸乳球菌中组合过表达mvk、preA和menA使总维生素K2产量达680 nmol/L，提高3倍。这些结果表明，借鉴异戊二烯类和莽草酸衍生化合物的工程经验，将途径酶过表达、膜环境改造与发酵条件优化相结合，能够显著突破维生素K2的产量瓶颈。文章进一步指出，动态调控、计算机辅助设计与代谢通量分析等前沿手段将在推动维生素K2工业化生产中发挥关键作用。
创新点
从产品谱系扩展的新视角分析维生素K2生产，整合途径工程与膜工程策略，并探讨了动态调控、计算机辅助设计等前沿方法的应用前景。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Bacillus subtilis | 甲萘醌生物合成途径 | menA | 1,4-dihydroxy-2-naphthoate heptaprenyltransferase | 催化 | MenA是MK-7合成的限速酶，过表达可提高产量42 mg/L |
| Bacillus subtilis | MEP途径 | dxs, dxr, ispD, ispF, ispE, ispH | Dxs, Dxr, IspD, IspF, IspE, IspH | 催化 | 工程改造MEP途径增加IPP/DMAPP前体供应，过表达ispDFHG使MK-7达415±3.2 mg/L |
| Bacillus subtilis | MVA途径 | mvaK1, mvaK2, mvaD, mvaS, mvaA | MvaK1, MvaK2, MvaD, MvaS, MvaA | 催化 | 异源表达MVA途径与MEP途径协同提高MK-4产量 |
| Escherichia coli | 聚异戊二烯途径和MVA途径 | hepPPS | Heptaprenyl pyrophosphate synthetase | 催化 | 过表达B. subtilis来源的HepPPS，MK-7产量达2.3 μM，提高22倍 |
| Escherichia coli | 莽草酸途径 | aroA, aroK, aroGfbr | AroA, AroK, AroGfbr | 催化 | 过表达反馈抑制抗性aroGfbr及aroAK，MK-7产量提高2倍达19.1 mg/L |
| Lactococcus lactis | MVA途径和甲萘醌途径 | mvk, preA, menA | Mvk, PreA, MenA | 催化 | 共过表达mvk, preA, menA，维生素K2产量提高3倍至680 nmol/L |
| Pichia pastoris | 聚异戊二烯途径 | HsUBIAD1 | UbiA prenyltransferase containing 1 | 催化 | 异源表达人源HsUBIAD1合成MK-4，产量0.24 mg/g DCW |
| Bacillus subtilis | 膜蛋白转运 | tatAD-CD | TatAD-CD | 转运 | Tat转运系统相关蛋白，过表达增强MK-7合成 |
| Bacillus subtilis | 电子传递链 | qcrA-C | QcrA-C | 能量供给 | 甲萘醌细胞色素c还原酶，过表达使MK-7产量达410 mg/L |
| Bacillus subtilis | 甘油代谢 | glpD | Glycerol-3-phosphate dehydrogenase | 催化 | 过表达glpD增加G3P供应，MK-7产量13.7±0.2 mg/L |
关键发现
- 在乳酸乳球菌中过表达mvk、preA和menA，维生素K2产量提高3倍，达到680 nmol/L。在枯草芽孢杆菌中通过组合途径工程，MK-4产量达到120.1 mg/L。在毕赤酵母中异源表达HsUBIAD1，MK-4产量提高4.37倍，达到0.24 mg/g DCW。在枯草芽孢杆菌natto中优化生长参数，MK-7产量达到12.09 mg/L。在大肠杆菌中过表达menA和menD，MK-8产量提高5倍，达到290 μg/g WCW。在大肠杆菌中过表达aroA、aroK及反馈抑制抗性aroGfbr，MK-7产量提高2倍，达到19.1 mg/L。在枯草芽孢杆菌中表达menA-dxs-dxr/idi盒，MK-7产量达50 mg/L。在大肠杆菌中过表达HepPPS并优化MVA途径，MK-7产量达2.3 μM，较原始菌株提高22倍。在枯草芽孢杆菌BS20中依次过表达ispDFHG，MK-7最高产量达415 ±
- 2 mg/L，较原始菌株提高29%。在枯草芽孢杆菌中过表达glpD，MK-7产量达13.7 ±
- 2 mg/L。在枯草芽孢杆菌工程菌株中过表达tatAD-CD和qcrA-C，MK-7产量达410 mg/L。在Bacillus natto中添加大豆油，MK-7产量达40.96 mg/L。
研究结论
本文总结认为，通过扩展产品谱系，借鉴相关产物的代谢工程策略，结合途径工程和膜工程，可以显著提高微生物维生素K2（尤其是MK-7）的产量。未来需要利用动态调控、计算机辅助设计和代谢通量分析等先进方法，以实现工业化生产。