新的代謝工程策略改善了聚合物原料的生物生產(chǎn)

一個由博士生藤原涼介，田中剛輔副教授(神戶大學工學研究生院)和研究科學家野田修平(RIKEN可持續(xù)資源科學中心)組成的研究小組已成功地提高了生物質。他們通過對生物生產(chǎn)中使用的細菌進行代謝工程來實現(xiàn)這一目標，因此它將利用從生物質中吸收的不同種類的糖來達到不同的目的。

使用微生物生產(chǎn)目標化學物質存在一些問題。如果微生物使用碳源(糖)進行自身繁殖，目標化學物質的生產(chǎn)就會減少。另一方面，抑制該繁殖會導致微生物變?nèi)?，導致產(chǎn)量整體下降。為了解決這個問題，研究小組開發(fā)了一種稱為平行代謝途徑工程(PMPE)的新策略，使他們能夠控制目標化學物質的產(chǎn)生和微生物的繁殖。他們使用這種方法來改變大腸桿菌，以成功提高尼龍前體粘康酸的產(chǎn)量。

僅將選定的碳源用于目標化學產(chǎn)品生產(chǎn)，而將其余的碳源用于微生物繁殖，將在生產(chǎn)芳香族化合物以及醫(yī)療和化學產(chǎn)品原料方面帶來巨大的進步。這項研究的結果于1月14日首次發(fā)表在《自然通訊》上。

工業(yè)依靠化石燃料作為生產(chǎn)各種產(chǎn)品的原料。然而，生產(chǎn)石油衍生的化合物增加了大氣中CO 2的量，從而引起許多環(huán)境問題。

圖2：上圖：使用常規(guī)大腸桿菌進行生物生產(chǎn)。下圖：使用大腸桿菌的PMPE菌株進行生物生產(chǎn)。信用：神戶大學

因此，需要開發(fā)生物精煉技術，該技術涉及使用微生物從自然豐富的可再生資源例如樹木和植物中生產(chǎn)化合物。生物質衍生產(chǎn)品具有碳中和的優(yōu)勢;它們不會增加大氣中的CO 2量。希望使用生物質生產(chǎn)各種有用的化合物可以構成低碳社會的基礎，從而減少大氣中的CO 2含量。

粘康酸是一種有用的化學物質，可以很容易地轉化成己二酸，這是尼龍生產(chǎn)中的一種成分。它也用作醫(yī)療和化學產(chǎn)品生產(chǎn)中的原材料。然而，目前它是從石油資源化學合成的。希望可以使用微生物和可再生的植物資源開發(fā)出一種發(fā)酵方法，使反應條件溫和，副產(chǎn)物更少。

但是，使用微生物從生物質中生產(chǎn)目標化學品存在問題。在許多情況下，使用生物質的微生物會自行繁殖而不產(chǎn)生目標化學品。但是，為了防止微生物增加而改變新陳代謝會使其變?nèi)?，這意味著無法合成目標化學物質。微生物自我繁殖與目標化學品生產(chǎn)之間的平衡是一個大問題。

為了解決這一難題，研究團隊開發(fā)了PMPE，在其中將微生物繁殖和目標化學生產(chǎn)之間的糖利用分開，從而使他們能夠獨立控制每個過程。

木質纖維素生物質不能與全球食品供應競爭，它由葡萄糖和木糖組成(圖1)。該研究小組制定了一種代謝策略，其中涉及修飾大腸桿菌，以便它將葡萄糖用于目標化學生產(chǎn)，并利用木糖進行微生物繁殖。

在常規(guī)微生物中，葡萄糖和木糖使用相同的代謝途徑，并且都用于微生物生長和目標化學物質產(chǎn)生(如圖2所示)。因為微生物吸收了糖以產(chǎn)生并維持其生存所需的元素和能量，所以這減少了合成目標化學物質的量。

如圖2所示，劃分微生物的代謝途徑可使每種糖獨立使用，而所有葡萄糖均用于目標化學生產(chǎn)，而所有木糖則用于微生物繁殖和維持。因為沒有葡萄糖被用于微生物生長，所以這允許產(chǎn)生更高產(chǎn)率的目標化學品。

該研究小組向經(jīng)修飾的大腸桿菌引入了代謝途徑，以合成粘康酸。經(jīng)過修飾的大腸桿菌使用了葡萄糖和木糖，從而導致了目標化學品的產(chǎn)生。研究人員成功生產(chǎn)了4.26 g / L的粘康酸，產(chǎn)量為0.31g / g葡萄糖(圖3)。這被認為是世界上最高的產(chǎn)量，證明了PMPE策略的有效性。

隨后，研究人員研究了PMPE策略是否可以應用于粘康酸以外的目標化學品的生產(chǎn)。結果，他們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，后者被用作藥品和食品中的添加劑。這些結果表明，PMPE是一種通用技術，可用于高效生產(chǎn)各種化合物。

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