精准平衡调控细胞生长和化学品生物合成

利用合成生物学与代谢工程技术构建细胞工厂，能够实现重要化学品和生物能源高效生物制造，是解决目前人类面临的资源、能源和环境问题的关键技术。目标化学品的生物合成往往与微生物细胞生长竞争资源，如何平衡细胞的生长与产物合成是构建高效代谢工程菌株的核心问题之一。针对此问题，目前已经发展出多种代谢工程策略。例如，基于遗传回路的细胞生长与生物合成解耦合、基于途径重构的细胞生长与生物合成耦合以及平行代谢途径工程。这些策略能在一定程度上实现细胞生长与产物合成的重分配，但是针对不同产物需要大量“试错性”基因回路设计，同时途径重构基因回路调控过程会受到胞内复杂代谢环境的潜在干扰。因此，亟需设计一种普适性高且鲁棒性好的细胞生长和生物合成平衡策略。

为了扩展细胞生长调控方法适用范围局限并且避免胞内代谢物干扰的问题，江南大学陈坚院士（点击查看介绍）团队刘延峰研究员（点击查看介绍）课题组引入了基于密码子扩展的正交翻译系统。该系统可以实现在代谢流调控和细胞生长关键酶中插入非天然氨基酸（ncAA），并通过“精确滴定”非天然氨基酸来“精准控制”代谢流量和细胞生长。研究人员分别在基因组重编码的大肠杆菌与基因组未重编码的枯草芽孢杆菌中进行了测试。通过精确控制ncAA（pAcF）添加，产N-乙酰氨基葡萄糖（乙酰氨糖）的大肠杆菌细胞生长与乙酰氨糖合成同时改善，菌株OD₆₀₀提高2.1倍，乙酰氨糖产量提高4.5倍。在枯草芽孢杆菌中，研究人员结合理性设计与非理性筛选，首先成功构建了ncAA高效利用系统，实现约80倍的基因表达水平激活。然后，通过精确控制ncAA（OMeY）添加，实现了产N-乙酰神经氨酸（燕窝酸）重组枯草芽孢杆菌的最大比生长速率的精准控制，燕窝酸产量提高2.2倍，副产物乙偶姻产量降低87.2%。最后，研究人员扩展了细胞生长精准调控系统的应用规模与应用功能，分别实现了3 L发酵罐中燕窝酸产量提升3倍（至9.7 g/L）与重组枯草芽孢杆菌的“生物封存”（避免重组菌逃逸至自然环境中繁殖），为生长与代谢精准可控高版本底盘细胞创建提供了新策略。

基于密码子拓展的细胞生长与产物合成精确调控

上述研究成果发表在Nature Communications。陈坚院士和刘延峰研究员为该论文的共同通讯作者，江南大学18级博士生田荣臻为该论文的第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Titrating bacterial growth and chemical biosynthesis for efficient N-acetylglucosamine and N-acetylneuraminic acid bioproduction

Rongzhen Tian, Yanfeng Liu, Yanting Cao, Zhongjie Zhang, Jianghua Li, Long Liu, Guocheng Du, Jian Chen

Nat. Commun., 2020, 11, 5078, DOI: 10.1038/s41467-020-18960-1

导师介绍

陈坚

https://www.x-mol.com/university/faculty/81281

刘延峰

https://www.x-mol.com/university/faculty/81367