大肠杆菌芳香族氨基酸代谢工程研究进展

芳香族氨基酸包括L-苯丙氨酸(L-Phe)、L-酪氨酸(L-Tyr)和L-色氨酸(L-Trp),是生物体内非常重要的必需氨基酸,具有重要的生物学功能,广泛应用于医药、食品和饲料等领域。本文中,笔者介绍了芳香族氨基酸的生物合成途径以及代谢调控,综述了构建大肠杆菌芳香族氨基酸生产菌株的代谢工程策略。针对现阶段工业化生产芳香族氨基酸存在的问题,笔者对进一步应用代谢工程策略改造芳香族氨基酸菌株进行了展望。     

3-脱氢莽草酸生物合成的代谢工程

3-脱氢莽草酸,是芳香族氨基酸生物合成代谢途径中一种重要的中间产物,可作为一些化学合成制剂和药物中间原料。这样以无毒可再生物质为起始原料的合成方法与传统的有机合成化学制剂的方法相比,对环境更加有利。此外,它还是一种十分有效的抗氧化剂。工业上一般采用化学合成法和发酵法来生产3-脱氢莽草酸,随着代谢工程的兴起,使得更加理性改造菌株成为可能,这更加促进了发酵法的广泛应用。本文主要介绍了代谢工程在生物合成3-脱氢莽草酸生产菌改造中的应用情况,其中涉及3-脱氢莽草酸生物合成途径中相关基因及其酶的调控、中心代谢途径的改造和3-脱氢莽草酸合成支路的修饰等,并探讨了将来的发展前景。     

L-苯丙氨酸制备的研究进展

笔者对化学和生物合成L-苯丙氨酸的研究进展进行了综述。首先简述L-苯丙氨酸化学合成和酶促合成方法;然后综述微生物发酵法制备L-苯丙氨酸的研究进展,简单介绍大肠杆菌和谷氨酸棒杆菌发酵法生成L-苯丙氨酸的代谢机制,同时,对发酵法合成L-苯丙氨酸的各项应用研究展开重点介绍;最后,对L-苯丙氨酸在生物领域的发展进行了展望。     

苯丙氨酸生物合成的研究进展

代谢工程是利用分子生物学原理系统分析代谢途径,设计合理的遗传修饰策略从而优化细胞的生物学特性,本对代谢工程及其在氨基酸生产上的应用进行了简单的回顾,比较了苯丙氨酸的几种合成途径,重点综述了苯丙氨酸生物合成的代谢途径,相关酶及其调控方式,代谢流和转运系统的分析研究,并对苯丙氨酸生产策略的优化及未来发展进行了展望。     

生物法合成双乙酰的研究进展

随着对双乙酰生物合成途径的深入研究,利用代谢工程的方法定向改良菌株,优化双乙酰的代谢途径,成为提高双乙酰生产水平的新思路。本文总结了双乙酰的生产菌株和相关代谢途径,综述了改造双乙酰生产菌株的代谢工程策略,提出了未来的研究方向。     

芳香族化合物微生物代谢工程研究进展

代谢工程从20世纪90年代初期发展至今已有近30年历史,对微生物菌种改良和选育工作起到了极大的推动作用。芳香族化合物是一类可以通过微生物发酵生产的化学品,广泛应用于医药、食品、饲料和材料等领域。利用代谢工程手段对莽草酸和芳香族氨基酸合成途径进行理性改造,微生物细胞可以定向地大量积累人们需要的各种芳香族化合物。笔者对近30年来国内外代谢工程改造微生物合成各种芳香族化合物的研究策略和生物合成途径进行了梳理和总结,以期为开展相关研究提供参考。     

放线菌次级代谢途径的设计

近来有关放线菌次线产物生物合成的分子遗传学和生物化学方面的进展为我们改造其代谢途径提供了一个明确的方向。近年来,对微生物的初级代谢途径进行基因改造取得了成功,但放线菌的次级代谢工程产物却都没有达到中试或生产规模。     

代谢工程改造酿酒酵母生产L-乳酸的研究进展

L-乳酸是一种重要的有机化合物,具有广泛的应用价值。微生物发酵法生产是当前L-乳酸的主要来源,但受限于精确的发酵条件、菌体产物耐受能力低及底物要求高等因素,导致L-乳酸供给不足且价格偏高。鉴于酿酒酵母利用廉价底物生产有价值物质方面的诸多优势,并随着分子生物学技术的发展,利用代谢工程改造酿酒酵母本身固有的代谢网络,使其高产L-乳酸已成为当前研究的热点。从L-乳酸的异源生产、关键途径改造及菌体生长能力恢复三个方面归纳了关于代谢工程改造酿酒酵母生产L-乳酸的研究进展。最后,指出了酿酒酵母异源生产L-乳酸存在的不足和今后研究的方向。     

毕赤酵母底盘芳香族氨基酸合成途径改造生产肉桂酸及对香豆酸*

目的:改造毕赤酵母使其异源合成类黄酮生物合成途径的重要中间体肉桂酸、对香豆酸,并优化前体芳香族氨基酸生物合成途径以提高毕赤酵母的生产能力。方法:在毕赤酵母GS115中利用乙醇诱导型人工转录系统表达Rhodotorula glutinis来源的苯丙氨酸解氨酶,并在该重组菌株中分别过表达胞内芳香族氨基酸生物合成途径中的关键酶或其突变体以进行优化。结果:异源表达苯丙氨酸解氨酶可使毕赤酵母将自身产生的L-苯丙氨酸、L-酪氨酸转化为肉桂酸(38.8 mg/L)、对香豆酸(34.2 mg/L),而通过过表达相关酶进行优化,最终肉桂酸和对香豆酸的产量分别达到124.1 mg/L和302.0 mg/L。结论:利用新的异源宿主毕赤酵母成功合成了肉桂酸、对香豆酸,并对胞内的芳香族氨基酸生物合成途径进行了优化,表明毕赤酵母具有生产黄酮类化合物的应用潜力,也为其他芳香族氨基酸衍生物或植物化合物在毕赤酵母中的异源合成奠定了基础。     

L-精氨酸生物合成机制及其代谢工程育种研究进展

L-精氨酸是人体半必需的氨基酸,在生命代谢过程中起着非常重要的作用,且具有广泛的应用价值及市场需求。目前,L-精氨酸主要采用微生物发酵法进行生产,为了提高L-精氨酸的产量和稳定性,最有效的方法是优化L-精氨酸生产菌株,通过代谢工程改造微生物菌株有望达到这一目的。本文分析了微生物中L-精氨酸的代谢途径和调控机制,并综述了构建高产L-精氨酸的代谢工程策略。此外,展望了菌株稳定性和底物扩展利用的未来研究方向。     

免疫抑制剂他克莫司生物合成的研究进展

他克莫司(FK506)是一种具有免疫抑制活性的23元大环内酯类化合物,临床上广泛用于防止器官移植术后的免疫排斥反应。生物合成法是他克莫司制备方法的研究热点,但他克莫司生物合成的研究还存在一定生产技术上的瓶颈。基于此,本文主要从他克莫司代谢途径改造和发酵过程控制等方面对他克莫司生物合成进展进行综述,以期为今后突破他克莫司生物合成的技术瓶颈提供参考,进而利用代谢工程、发酵工程等技术提升他克莫司的生物合成水平。     

大环内酯类抗生素代谢工程的研究进展

14-16元环的大环内酯类抗生素(Macrolide antibiotics,MA)是临床上重要的抗感染药物。随着细菌耐药性的不断增加,迫切需要研发出新型MA来应对耐药菌。通过MA与核糖体靶点的相互作用可以指导MA的定向优化,结合快速发展的代谢工程方法可以高效获得所需的MA衍生物。近30年来,代谢工程在改造MA的生物合成获得新衍生物以及在提高其产量方面显示出巨大优势,这些代谢工程的方法包括改造聚酮合酶(Polyketide synthase,PKS)结构域和PKS后修饰酶以及组合生物合成等。另外,文中还对16元环大环内酯类新药可利霉素的研制过程、抗菌活性以及利用代谢工程优化其产生菌进行了详细介绍。     

Effect of amino acids on thaxtomin A biosynthesis by Streptomyces scabies

The regulatory effect of amino acids on the production of thaxtomin A, a phytotoxin produced by Streptomyces scabies, was investigated. Tryptophan had an important inhibitory effect on the toxin biosynthesis in all five strains of S. scabies tested. Two other aromatic amino acids (tyrosine and phenylalanine) also inhibited thaxtomin A biosynthesis, while aliphatic amino acids did not cause an important decline in thaxtomin A production. Methylation of tryptophan prevented or reduced the inhibitory effect on thaxtomin A biosynthesis. In spite of the inhibitory action of tryptophan and phenylalanine on thaxtomin A production, incorporation of these radiolabeled molecules into thaxtomin A confirmed that they are metabolic precursors for the biosynthesis of the phytotoxin.     

微生物发酵法生产L-色氨酸的代谢工程研究

L-色氨酸作为人体内的一种必需氨基酸,广泛应用于医药、食品与饲料等行业.工业上采用的色氨酸生产方法有化学合成法、转化法及微生物发酵法.近年来,随着代谢工程在色氨酸菌种选育中的成功运用,微生物发酵法逐渐成为主要的色氨酸生产方法.系统综述了微生物发酵法生产色氨酸所涉及的代谢工程策略,包括生物合成色氨酸的代谢调控机制以及途径...     

Probing the heterologous metabolism supporting 6‐deoxyerythronolide B biosynthesis in Escherichia coli

Heterologous biosynthesis offers a new way to capture the medicinal properties presented by complex natural products. In this study, production of 6‐deoxyerythronolide B (6dEB), the polyketide precursor to the antibiotic erythromycin, was used to probe the heterologous pathways needed for Escherichia coli‐derived biosynthesis. More specifically, the heterologous proteins responsible for 6dEB production were varied by adjusting their respective gene dosage levels. In this way, heterologous components required for posttranslational modification, 6dEB biosynthesis, and substrate provision were adjusted in expression levels to observe the relative effect each has on final heterologous biosynthesis. The results indicate that both the biosynthetic and substrate provision heterologous proteins impact 6dEB formation to a greater extent when compared with posttranslational modification and suggest these components for future protein and metabolic engineering.     

Production of soybean isoflavone genistein in non-legume plants via genetically modified secondary metabolism pathway

Genetic modification of secondary metabolic pathways to produce desirable natural products is an attractive approach in plant biotechnology. In our study, we attempted to produce a typical soybean isoflavone genistein, a well-known health-promoting metabolite, in non-legume plants via genetic engineering. Both overexpression and antisense suppression strategies were used to manipulate the expression of several genes encoding key enzymes in the flavonoids/isoflavonoids pathway in transgenic tobacco, lettuce, and petunia. Introducing soybean isoflavone synthase (IFS) into these plants, which naturally do not produce isoflavonoids due to a lack of this leguminous enzyme, resulted in genistein biosynthesis in tobacco petals, petunia leaves and petals, and lettuce leaves. In tobacco, when flavanone 3-hydroxylase (F3H) expression was suppressed by its antisense gene while soybean IFS was overexpressed at the same time, genistein yield increased prominently. In addition, overexpression of phenylalanine ammonia-lyase (PAL) also led to an enhanced genistein production in tobacco petals and lettuce leaves in the presence of IFS than in the plants that overexpressed only IFS.     

Engineering of carboligase activity reaction in Candida glabrata for acetoin production

Utilization of Candida glabrata overproducing pyruvate is a promising strategy for high-level acetoin production. Based on the known regulatory and metabolic information, acetaldehyde and thiamine were fed to identify the key nodes of carboligase activity reaction (CAR) pathway and provide a direction for engineering C. glabrata. Accordingly, alcohol dehydrogenase, acetaldehyde dehydrogenase, pyruvate decarboxylase, and butanediol dehydrogenase were selected to be manipulated for strengthening the CAR pathway. Following the rational metabolic engineering, the engineered strain exhibited increased acetoin biosynthesis (2.24 g/L). In addition, through in silico simulation and redox balance analysis, NADH was identified as the key factor restricting higher acetoin production. Correspondingly, after introduction of NADH oxidase, the final acetoin production was further increased to 7.33 g/L. By combining the rational metabolic engineering and cofactor engineering, the acetoin-producing C. glabrata was improved stepwise, opening a novel pathway for rational development of microorganisms for bioproduction.     

代谢工程在芳香化合物生物合成研究中的应用

生物技术和代谢工程的发展促进了生物合成研究。概述了近年来利用微生物莽草酸途径进行芳香化合物生物合成研究的现况、代谢工程在提高天然芳香化合物产量和扩大合成非天然产生的芳香化合物范围的应用的进展 ,特别是整体代谢工程对提高第二代工程菌产量的作用。指出了生物合成法是生产氨基酸及其它生物小分子如奎尼酸、维生素和抗生素等的未来趋势 ,在工业化生产中有着广阔的应用前景。