白菜官网刘建忠教授团队联合应用定向进化与群体感应基因线路大幅提高大肠杆菌合成对羟基苯乙酸的产量

刘建忠教授团队长期从事芳香化合物和萜类物质人工微生物制造的研究。23日，该团队在Biotechnology for Biofuels（IF5.497，一区, Top期刊）杂志上发表了题为“Combining directed evolution of pathway enzymes and dynamic pathway regulation using a quorum-sensing circuit to improve the production of 4-hydroxyphenylacetic acid in Escherichia coli“的研究论文。白菜官网为第一和唯一通讯作者单位，2016级博士生沈玉平为论文第一作者，刘建忠教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和广东省自然科学基金等项目的资助。

       对羟基苯乙酸（4HPAA）是一种附加值高、市场前景广的医药、农药和精细化工中间体，但目前主要依赖污染严重的化学合成法进行生产。研究者建立了一个以葡萄糖为原料从头合成4HPAA的人工微生物系统。首先，构建了3个4HPAA的人工合成途径（图1，其中ass、tydC-tynA为新合成途径），将其引入到产L-DOPA的大肠杆菌中合成4HPAA，其中基于酵母ARO10的埃利斯途径效果最佳。随后，通过共进化、单进化和组合突变等酶定向进化技术，提高了外源合成途径的催化效率。接着，通过TIGR文库筛选到一个合适的TIGR序列协调途径酶基因ARO10*和feaB*间的平衡表达，使4HPAA的产量提高了1.13倍。

图1 对羟基苯乙酸的人工生物合成途径

       由于大肠杆菌对外源途径缺乏精确的调控机制，外源途径及其高水平表达必然会对细胞生长产生毒性，从而影响目标产物的合成。为此，必须对其进行动态调控，以减轻其对宿主细胞生长的毒害作用。群体感应（quorum sensing, QS）是一种由细胞密度调节的自动感应系统，可根据细胞密度自动调节基因的表达。研究者构建了一个基于斯图瓦提泛菌（Pantoea stewartii）Esa的同时具有激活和抑制功能的QS系统，应用Esa激活基因线路（图2A）对外源合成途径进行自动调控，在2 L发酵罐中补料发酵可产17.39±0.26 g/L4HPAA、摩尔产率达23.2%，产量比非群体感应基因线路提高46.4%，为之前文献报道最高值(0.97 g/L)的18.7倍（图2B）。

图2 (A)用于4HPAA合成的群体感应基因线路 (B)含群体感应基因线路或静态控制4HPAA合成途径的大肠杆菌补料发酵

       本研究首次采用了Esa激活群体感应线路对外源合成途径进行动态调控，研究结果证明联合应用途径酶定向进化与群体感应基因线路是代谢工程的一种高效策略，尤其对高毒性化学品的生物合成具有具有广泛的借鉴和应用价值。

       论文连接：https://doi.org/10.1186/s13068-019-1438-3

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本院

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