張學禮等丁二酸細胞工廠構建及高效合成機制解析獲進展

　　丁二酸是一種優秀的平臺化合物，在化工、材料、醫藥、食品領域有著廣泛的用途，被美國能源部列為未來12種最有價值的平臺化合物之一。作為C4平臺化合物，其可用于合成1，4-丁二醇、四氫呋喃、γ-丁內酯以及生物可降解材料聚丁二酸丁二醇酯（PBS）。構建高效生產丁二酸的微生物細胞工廠，將可再生的生物質資源高效轉化為丁二酸，是近年來國際上的研究熱點。

　　中國科學院天津工業生物技術研究所的張學禮研究員課題組結合理性遺傳改造和進化代謝技術，構建出高效生產丁二酸的大腸桿菌細胞工廠HX024，糖酸轉化率達1.36 mol/mol，為理論最大轉化率的80%。在此基礎上，通過全基因組測序、轉錄組分析及酶活分析，解析了細胞工廠HX024高產丁二酸的分子機制。研究發現丙酮酸脫氫酶PDH的E3編碼基因lpdA發生突變，突變的lpdA基因導致酶活比野生型提高了26倍，解除了NADH對PDH酶活的抑制，從而為厭氧合成丁二酸途徑提供更多的還原力。另一方面，丁二酸合成途徑中9個功能模塊的18個基因的表達水平發生了顯著變化。其中，磷酸戊糖途徑、轉氫酶和丙酮酸脫氫酶的激活提高了細胞的還原力供給，從而提高了丁二酸的糖酸轉化率。葡萄糖利用、PEP羧化、還原型TCA和丁二酸轉運模塊的激活提高了丁二酸的生產速率。

　　在此基礎上，使用反向代謝工程技術，在出發菌株中激活磷酸戊糖途徑、轉氫酶和丙酮酸脫氫酶，將丁二酸的糖酸轉化率從1.12提高到1.5 mol/mol（理論最大轉化率的88%），進一步證明了這三個模塊的激活是導致丁二酸糖酸轉化率提升的關鍵，并在國際上首次提出了以NADPH為還原力的丁二酸合成新途徑。

　　相關研究成果申請了2項PCTZL（PCT/CN2014/078284；PCT/CN2014/078265），并發表在Metabolic Engineeing期刊上，天津工生所的朱欣娜博士和博士研究生譚在高為論文的共同第一作者。

　　該研究得到國家“973”計劃、“863”計劃、自然科學基金和中科院知識創新工程的支持。