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Nat Commun:清华陈国强教授团队在盐单胞菌高效合成3-羟基丙酸研究获进展

近期,清华大学生命科学学院陈国强教授(点击查看介绍)课题组开发了一种合成3-羟基丙酸的盐单胞菌底盘,并通过代谢流优化、氧化还原平衡调节和基因组表达等策略显著提高生产效率。


3-羟基丙酸(3HP)是美国能源部公布的12种平台化合物之一,可用于合成包括丙烯酸、丙二酸、丙烯酰胺、丙烯腈(ACN)和聚3-羟基丙酸(P3HP)等,但目前3HP产量和生产效率偏低,导致生产成本高、市场规模不足。利用大肠杆菌、谷氨酸棒状杆菌等底盘获得的3HP最高产量约70 g L-1,并且产率较低(<2 g L-1 h-1)。以能够进行开放式连续发酵的盐单胞菌为生产底盘为降低3HP的生产成本提供了契机,并且盐单胞菌能够耐受较高渗透压,有利于胞外产物的大量积累。引入3HP外源合成途径后,盐单胞菌的3HP产量显著低于大肠杆菌,另外作者发现盐单胞菌能够以3HP为唯一碳源生长,表明盐单胞菌存在降解3HP的途径。通过转录组分析以及功能验证,解析了存在于盐单胞菌基因组中的3HP降解途径,敲除3HP降解途径后产量得到提升(图1)。

图1. 盐单胞菌中3HP合成途径的代谢工程调控。图片来源:Nat. Commun.


添加1,3-丙二醇野生型盐单胞菌可以产生0.2 g L-1的3HP,这说明盐单胞菌本身存在从1,3-丙二醇到3HP的合成途径,通过基因组分析和比较添加1,3-丙二醇的基因表达差异,找打了催化1,3-丙二醇到3HP的内源醇脱氢酶(AdhP)和醛脱氢酶(AldDHb)。另外,为了降低有毒代谢中间体3-羟基丙醛(3HPA)的积累,通过不同来源的酶活性筛选,发现AldDHb与已经报道的醛脱氢酶相比具有较高3HPA亲和力(0.05 mM)以及转化效率(67.45 s-1mM-1),进一步优化AldDHb表达并将提高3HP产量。3-羟基丙酸生产过程中伴随着NADH的生成,细胞内过剩的NADH会反馈抑制糖酵解、三羧酸循环和产物的进一步合成,为了再生NAD+,作者联合生产消耗NADH的聚3-羟基丁酸(PHB)合成途径,并通过加入乙酸增加乙酰辅酶A的量促进PHB的合成,从而促进NAD+的再生。最终将合成途径整合到基因组上构建了一株高效的3HP生产菌,在发酵罐中实现超150 g L-1的产量,并且转化率和产率分别达到0.93 g g-1 1,3-丙二醇和2.4 g L-1 h-1(图2)。

图2. 组合优化提高3HP产量。图片来源:Nat. Commun.


PHB由于结晶度高而脆性大,限制了其应用。而聚3-羟基丙酸(P3HP)具有良好的力学性能,断裂延伸率超过600%,杨氏模量为300 MPa-3 GPa。P3HP的低熔点(Tm < 100 ℃)限制了其在高温环境中的稳定性,而PHB的Tm较高,可以达到176 ℃,因此3HB和3HP的共聚物可以弥补各均聚物的缺点。在构建的3HP高效生产底盘菌株基础上,结合pcsphaC两个外源基因的过表达,实现P3HP摩尔比占45%的共聚物P3HP3HB的合成。


以1,3-丙二醇为底物生产3HP,可以避免因维生素B12合成和NAD+再生不平衡而产生的甘油脱水酶和醛脱氢酶活性之间的矛盾。在1,3-丙二醇氧化还原酶和醛脱氢酶的有氧催化作用下,通过两步法生物催化生成3HP。1,3-丙二醇可以高效的从生物柴油生产过程中的副产物甘油转化而来。但是在1,3-丙二醇生产条件下,由于厌氧条件下醛脱氢酶的酶活性较低,3HP的产量较低。本研究将1,3-丙二醇转化为3HP,从而连接低成本的甘油到高附加值的3HP的高效转化。


综上,本研究建立了盐单胞菌以1,3-丙二醇为底物高效生产3HP的策略,表明盐单胞菌作为下一代工业生物技术底盘在低成本生产细胞外和细胞内产品方面有着广阔的前景。


该成果发表于《自然•通讯》(Nature Communications)。论文的第一作者为陆军军医大学基础医学院的蒋笑然博士和清华大学生命科学学院博士研究生闫煦,陈国强教授为论文通讯作者,清华大学生命学院博士毕业生俞林萍和清华大学生命学院博士研究生刘心怡参与该研究。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。


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):

Hyperproduction of 3-hydroxypropionate by Halomonas bluephagenesis

Xiao-Ran Jiang, Xu Yan, Lin-Ping Yu, Xin-Yi Liu, Guo-Qiang Chen 

Nat. Commun., 202112, 1513, DOI: 10.1038/s41467-021-21632-3


导师介绍

陈国强

https://www.x-mol.com/university/faculty/60324 


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