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微生物有效利用糖的新的代谢工程策略成功改善了聚合物原料的生物转化

来源:神户大学(Kobe University)

一个由博士生FUJIWARA Ryosuke、副教授TANAKA Tsutomu (来自神户大学工程研究生院) 和研究科学家 NODA Shuhei (日本理化研究所可持续资源科学中心) 组成的一个研究小组已经成功地提高了生物质的目标化学产品的产量。他们通过对用于生物生产的细菌进行代谢工程来实现这一目标,这样就可以利用从生物质中吸收的不同种类的糖来实现不同的目标。

使用微生物生产目标化学品时会遇到一些问题;如果微生物使用碳源(糖)进行自身繁殖,目标化学品产量就会减少。另一方面,抑制这种繁殖会导致微生物减弱,导致产量的全面下降。为了解决这个问题,研究小组开发了一种新的策略,称为并行代谢途径工程(PMPE),允许他们控制目标化学产物和微生物繁殖。他们利用这种方法改变大肠杆菌,以成功地促进尼龙前体粘酸的生产。

如果能够将选定的碳源单独用于目标化学品生产,并将剩余的碳源用于微生物繁殖,这将在芳香族化合物的生产以及医药和化工产品的原料生产方面带来巨大的进展。

这项研究的结果于1月14日首次发表在《自然通讯》杂志上。

要点

制定PMPE策略,使用于微生物繁殖和目标化学品生产的糖的利用能够独立控制。利用这种方法,研究小组成功地提高了目标化学物质粘酸的产量。

PMPE 可应用于化工产品和医药中芳香族化合物、二羧酸等多种原料的生产。

有望提高生物质等含多糖原料的有效利用率。

研究背景

我们依靠矿物燃料作为生产各种产品的原料。然而,石油衍生化合物的生产增加了大气中二氧化碳的含量,导致了许多环境问题,如全球变暖。

因此,有必要开发生物精炼技术(*1),利用微生物从天然丰富的可再生资源(如树木和植物物质)中生产化合物。生物质衍生产品具有碳中性的优点(2);它们不会增加大气中的二氧化碳含量。人们希望利用生物量生产各种有用的化合物,可以为低碳社会奠定基础,减少大气中的二氧化碳含量。

粘康酸是一种有用的化学物质,很容易转化成己二酸,一种尼龙生产中的成分。它还用作生产各种医药和化工产品的原料。然而,目前它是由石油资源化学合成的。希望利用微生物和可再生的植物资源,开发出反应条件温和、副产物少的发酵方法。

然而,利用微生物从生物量中生产目标化学品存在问题。在许多情况下,即使微生物利用了生物量,它们也会自我繁殖,而不是产生目标化学物质。然而,通过改变新陈代谢来阻止微生物的增加,会导致它们变弱,这意味着目标化学物质无法合成。微生物的自我繁殖和目标化学生产之间的平衡是一个大问题。

为了解决这一难题,研究小组开发了一种新技术,称为并行代谢途径工程(PMPE),在这种技术中,他们将微生物繁殖和目标化学生产之间的糖利用分离开来,使他们能够独立控制每个过程。

研究内容

木质纤维素生物质不能与全球食品供应竞争,它由葡萄糖和木糖组成(图1)。该研究小组制定了一种代谢策略,其中涉及修饰大肠杆菌,以便它将葡萄糖用于目标化学生产,并利用木糖进行微生物繁殖。

在常规微生物中,葡萄糖和木糖使用相同的代谢途径,并且都用于微生物生长和目标化学物质产生(如图2所示)。因为微生物吸收了糖以产生并维持其生存所需的元素和能量,所以这减少了合成目标化学物质的量。

为了缓解这个问题,研究小组制定了一项新的策略,称为PMPE。如图2所示,划分微生物的代谢途径可使每种糖被独立利用,而所有葡萄糖都用于目标化学生产,而所有木糖都用于微生物繁殖和维持。因为没有任何葡萄糖被用于微生物生长,所以这允许产生更高产率的目标化学品。

该研究小组向经修饰的大肠杆菌引入了代谢途径,以合成粘康酸。修饰的大肠杆菌利用了葡萄糖和木糖,从而产生了目标化学品。研究人员成功生产了4.26 g / L的粘康酸,产量为0.31g / g葡萄糖(图3)。这被认为是世界上最高的产量,证明了PMPE策略的有效性。

随后,研究人员研究了PMPE策略是否可以应用于粘康酸以外的目标化学品的生产。结果,他们成功地提高了必需氨基酸和芳香族化合物苯丙氨酸和1,2-丙二醇的收率,后者被用作药品和食品中的添加剂。这些结果表明,PMPE是一种通用技术,可用于高效生产各种化合物。

图1:木质纤维素生物量的结构组成(不与全球粮食供应竞争)

图1:木质纤维素生物量的结构组成(不与全球粮食供应竞争)

(图片来源:神户大学)

图2:上图:使用常规大肠杆菌进行生物生产。 下图:使用大肠杆菌的PMPE菌株进行生物生产。

图2:上图:使用常规大肠杆菌进行生物生产。 下图:使用大肠杆菌的PMPE菌株进行生物生产。

(图片来源:神户大学)

图3:使用PMPE策略增加了粘康酸的产量

图3:使用PMPE策略增加了粘康酸的产量

(图片来源:神户大学)

期刊信息(Journal Information)

Title “Metabolic engineering of Escherichia coli for shikimate pathway derivative production from glucose–xylose co-substrate”

DOI:10.1038/s41467-019-14024-1

Authors: Ryosuke Fujiwara, Shuhei Noda, Tsutomu Tanaka, Akihiko Kondo

Journal: Nature Communications

原文网址:https://www.kobe-u.ac.jp/research_at_kobe_en/NEWS/news/2020_02_25_01.html

声明:本文由 Cpolymer 编译,中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。

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