大肠杆菌代谢工程生产粘糠酸及5-羟基色氨酸
石油不仅给世界提供了能源，而且还是许多化工原料的来源。然而，石油资源的萎缩以及环境的恶化迫使人们寻求生产燃料、化学品以及药品的替代方法。值得庆幸的是，生物系统代谢途径的多样性给自然界提供了极其丰富的化合物资源库。最近几年，代谢工程的发展通过将外源或者非天然合成途径引入具有遗传优势的宿主菌中，建立了多种化合物的微生物细胞工厂。在本研究中，我们报道了两种重要化合物粘糠酸和5-羟基色氨酸(5-HTP)的新的微生物合成方法。 粘糠酸是己二酸的合成前体，后者是一种重要的平台化合物，用于尼龙-6，6及聚氨酯塑料的生产。我们设计了3条不同的粘糠酸合成途径，并在大肠杆菌中进行了验证和优化。在第一条途径中，色氨酸合成途径的第一个中间体邻氨基苯甲酸(AA)经邻氨基苯甲酸1，2-加双氧酶(ADO)和儿茶酚1，2-加双氧酶(CDO)的催化，经儿茶酚转化成粘糠酸。首先，我们从不同微生物中筛选得到高效的ADO和CDO，在5h内能够转化AA生成超过1g/L的粘糠酸。为了实现从简单碳源合成粘糠酸，我们通过表达莽草酸途径的关键酶以及阻断色氨酸的合成，构建了AA的高产菌株。另外，我们发现通过表达谷氨酰胺合成酶引入谷氨酰胺再生系统显著提高了AA产量。最终，含有完整途径的大肠杆菌工程菌株在摇瓶试验中从简单碳源产生了389.96±12.46 mg/L的粘糠酸。 在第二条途径中，将水杨酸的生物合成途径与其部分降解途径连接，实现了由简单碳源合成粘糠酸。首先，我们通过引入异分支酸合成酶和异分支酸-丙酮酸裂解酶，将一株苯丙氨酸高产菌株改造成水杨酸高产菌株。重组菌株水杨酸产量可达1.2 g/L，是目前报道的最高产量。接着，我们构建了水杨酸的部分降解途径，包括水杨酸1-加单氧酶(SMO)和儿茶酚1，2-加双氧酶(CDO)。利用该途径在5h内可以转化水杨酸生成2.3 g/L的粘糠酸。最后，通过整合水杨酸合成及降解模块，构建了粘糠酸的生物合成途径。经过模块化优化，摇瓶实验中粘糠酸产量在48 h内可达1.5 g/L，具有生产放大的前景。 在第三条途径中，我们从肺炎克雷伯氏菌中鉴定了一个新的2，3-二羟基苯甲酸(2，3-DHBA)脱羧酶，并将其应用于粘糠酸的生产。我们对该酶的性质进行了系统研究，包括最适温度、最适pH、动力学参数以及底物选择性。在此基础上，我们通过连接2，3-DHBA的合成和降解途径，设计了一条新的粘糠酸合成途径。通过表达EntCBA以及莽草酸途径的关键酶，2，3-DHBA的产量达到900mg/L。通过表达2，3-DHBA脱羧酶和CDO实现了转化2，3-DHBA生产粘糠酸。最终，通过途径整合实现了粘糠酸的生物合成，摇瓶产量为480 mg/L。 另外，我们还反向设计并验证了一条新的5-HTP的生物合成途径。该途径利用相关酶松散的底物选择性，并且避免了使用不稳定的色氨酸5-羟化酶。首先，通过大肠杆菌自身的TrpDCBA催化，实现了由5-羟基邻氨基苯甲酸（5-HAA）生产5-HTP。接着，利用一个新的水杨酸5-羟基化酶转化非天然底物AA生成5-HAA。然后，我们实现了由葡萄糖合成5-HAA，并进行了模块化优化。最后，通过途径整合，采用两阶段培养策略实现了5-HTP的生物合成。 本研究不仅建立了粘糠酸和5-HTP的微生物合成平台，而且展示了生物合成高附加值代谢物的广泛适用的途径设计策略。
大肠杆菌;粘糠酸;5-羟基色氨酸;代谢工程
北京化工大学
博士
化学工程与技术
袁其朋
2015
中文
TQ922
113
2015-12-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）