甲羟戊酸途径限速步骤研究及其在产番茄红素重组大肠杆菌中的应用

甲羟戊酸途径(MVA途径)被引入重组大肠杆菌中,能够提高重组大肠杆菌中萜类化合物的合成能力。但因重组大肠杆菌中萜类化合物合成途径中间产物积累,导致细胞生长和萜类化合物合成受到限制。本研究在稳定表达MVA途径以及优化2-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸途径(MEP途径)、番茄红素合成途径关键基因表达的重组大肠杆菌LYC103中,用质粒高表达MVA途径和番茄红素合成途径关键基因,挖掘该途径的限速步骤。结果表明,ispA、crtE、mvaK1、idi和mvaD基因过表达后,细胞生长没有明显变化,番茄红素产量依次提高了13.5%、16.5%、17.95%、33.7%和61.1%,说明这几个基因可能是合成番茄红素的限速步骤。mvaK1、mvaK2、mvaD三个基因在同一操纵子上,用mRNA稳定区(RNA stabilizing region)进行启动子文库(mRSL)调控mvaK1,相当于对3个基因同时调控。用高效基因组编辑技术(CAGO)对mvaK1基因的mRNA稳定区进行启动子文库的调控,得到菌株LYC104。番茄红素产量与对照菌株LYC103相比增加了2倍,细胞生长提高了32%。然后,利用CRISPR-Cas9技术在染色体lacZ位点整合idi基因,得到LYC105菌株。与出发菌株LYC103相比,细胞生长提高了147%,番茄红素产量增加了2.28倍。本研究在染色体上具有完整MVA途径的基础上,利用质粒高表达单个基因挖掘限速步骤,用同源重组方法整合限速基因、解除限速,为代谢工程构建高产菌株提供新策略。     

稳定表达MVA途径基因提高番茄红素产量

萜类化合物的直接前体物质异戊烯焦磷酸(IPP)和二甲基烯丙基焦磷酸酯(DMAPP)可以由2-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸途径(MEP途径)和甲羟戊酸途径(MVA途径)合成。在已经优化MEP合成途径、番茄红素合成途径关键基因表达的重组大肠杆菌LYC101中,引入MVA途径基因,进一步提高重组大肠杆菌合成萜类化合物的能力。质粒pALV23和pALV145是本实验室在研究MVA途径基因协调表达时,用核糖体结合位点(RBS)文库连接MVA途径各基因构建质粒文库,而筛选到的有效提高β-胡萝卜素产量的质粒。首先比较了两个质粒分别在低产和高产番茄红素的菌株中对番茄红素合成的影响。结果表明,两个质粒在高、低产番茄红素的菌株中都可以有效提高番茄红素产量。在高产菌LYC101中pALV23比pALV145使番茄红素产量更高。然后,用CRISPR-Cas9系统辅助同源重组的方法,将MVA途经基因和启动子一共6.7kb的条带整合到LYC101菌株的染色体上,得到遗传稳定的菌株LYC102。LYC102的番茄红素产率达40.9mg/g,是出发菌株LYC101产率的2.19倍,比用质粒表达MVA途径基因的菌株提高了20%。在重组大肠杆菌中同时表达MVA途径和MEP途径,可以有效提高萜类化合物产率;文中构建了不含质粒的、遗传稳定的高产番茄红素菌株,为产业化合成番茄红素提供基础;同时构建平台菌株,可以用于其他萜类化合物合成。