化工进展年第9期综述与专论大

北京最好的祛除白癜风专业医院是哪儿 http://www.zgbdf.net/baidianfengbaojian/yiyuzheng/36581.html

大肠杆菌乙酰辅酶A代谢调控及其应用研究进展

陈露1,2,3，刘丁玉1,2,3，汪保卫1,2,3，

赵玉姣1,2,3，贾广韬4，陈涛1,2,3，王智文1,2,3

（1天津大学化工学院，天津；2天津大学系统生物工程教育部重点实验室，天津；3天津大学化工协同创新中心，天津；4潍坊医学院生物科学与生物技术学院，山东潍坊）

引用本文：陈露,刘丁玉,汪保卫,等.大肠杆菌乙酰辅酶A代谢调控及其应用研究进展[J].化工进展,,38(9):-.

摘要

利用生物法合成生物基化学品具有高效、绿色、可持续发展等优势。乙酰辅酶A作为细胞内物质代谢的重要中间产物，是利用生物转化法合成许多生物基化学品的重要前体，在微生物碳代谢过程中发挥着枢纽作用。本文综述了大肠杆菌乙酰辅酶A的合成、代谢调控策略及其重要应用，重点总结了乙酰辅酶A的合成途径及近期发展的提高乙酰辅酶A胞内通量的代谢调控策略，包括乙酸途径的代谢调控、丙酮酸合成乙酰辅酶A途径的代谢调控、中心碳代谢途径的代谢调控、β氧化合成乙酰辅酶A途径的代谢调控和乙酰辅酶A合成新途径的发掘，进一步展望了提高乙酰辅酶A供给的策略，利用基因组编辑技术构建合成乙酰辅酶A为前体化学品细胞工厂的方法。

随着现代生物技术的迅速发展，利用生物转化技术将可再生碳源转化为化工产品已成为理想选择。代谢工程正致力于研究基于细胞反应器的生物转化过程，通过调控细胞内代谢网络的通量平衡，以达到生产目标产物的目的。在胞内代谢网络中，乙酰辅酶A作为细胞内代谢的重要中间产物，是细胞内代谢网络的重要节点，它在微生物碳代谢过程中发挥着中心枢纽作用，连接糖酵解、TCA循环、乙醛酸支路和乙酸等代谢途径，同时参与多种酶促反应，是合成多种生物基化学品的重要前体。以乙酰辅酶A为前体的化学品可分为脂肪酸类、异戊二烯类、氨基酸类和多元化单体及高性能聚合物（图1）。

图1　以乙酰辅酶A为前体的四大类化学品

大肠杆菌是目前研究最多的原核模式微生物，因具有较为清晰的遗传背景和成熟的基因操作技术，被广泛应用于微生物细胞工厂的基础应用研究，生产多种初级和次级代谢产物及其衍生物。图2所示为大肠杆菌中乙酰辅酶A相关的代谢途径和参与反应的各种酶，目前提高乙酰辅酶A通量的代谢工程策略可分为5类：乙酸途径的代谢调控、丙酮酸合成乙酰辅酶A的代谢调控、中心碳代谢途径的代谢调控、β氧化合成乙酰辅酶A途径的代谢调控和乙酰辅酶A合成新途径等（图2）。

图2　大肠杆菌乙酰辅酶A相关代谢途径和酶

G6P-葡萄糖-6-磷酸；F6P―果糖-6-磷酸；FBP―果糖-1，6-二磷酸；G3P―甘油醛-3-磷酸；G-1,3-P―甘油酸-1,3-二磷酸；3PG―甘油酸-3-磷酸；PEP―烯醇式丙酮酸磷酸；E4P―赤藓糖-4-磷酸；X5P―木糖-5-磷酸；S7P―景天庚酮糖-7-磷酸；R5P―核糖-5-磷酸；Ru5P―核酮糖-5-磷酸；PHB―聚羟基丁酸酯；tal―转醛醇酶；tktA/B―转酮醇酶；fxpk―磷酸转酮酶；ldh―D-乳酸脱氢酶；poxB―丙酮酸氧化酶；ackA―乙酸激酶；acs―乙酰辅酶A合成酶；aceE―丙酮酸脱羧酶；aceF―二氢硫辛酰胺转乙酰酶；lpd―二氢硫辛酰胺脱氢酶；pflA―丙酮酸甲酸裂解酶；pta―磷酸转乙酰酶；coaA―泛酸激酶；phaA―β-酮基硫解酶；phaB―乙酰乙酰辅酶A还原酶；phaC―PHB聚合酶；acc―乙酰辅酶A羧化酶；atoAD―转移酶；adc―乙酰乙酸脱羧酶；gltA―柠檬酸合成酶；icd―异柠檬酸脱氢酶；sucC/D―琥珀酰辅酶A合成酶；sdhCAB―琥珀酸脱氢酶；fum―延胡索酸酶；mdhaceA/B―异柠檬酸裂解酶加黑基因为外源基因

1乙酸途径的代谢调控

2丙酮酸合成乙酰辅酶A的代谢调控

3中心碳代谢途径的代谢调控

3.1糖酵解途径

3.2三羧酸循环

3.3乙醛酸支路

3.4戊糖磷酸途径和2-酮-3-脱氧-6-磷酸

葡萄糖酸途径

4β氧化合成乙酰辅酶A途径的代谢调控

5乙酰辅酶A合成新途径

5.1NOG途径合成乙酰辅酶A

表1　大肠杆菌乙酰辅酶A代谢调控研究进展

5.2苏氨酸旁路途径合成乙酰辅酶A

图3　大肠杆菌苏氨酸旁路途径

ppc―烯醇式丙酮酸磷酸羧化酶；aspC―谷草转氨酶；asd―天冬氨酸半醛脱氢酶；thrA―高丝氨酸脱氢酶；thrB―高丝氨酸激酶；thrC―苏氨酸合成酶；tdh―苏氨酸脱氢酶；glyA―丝氨酸羟甲基转移酶；sdaA―丝氨酸脱氨酶；kbl―2-氨基-3-酮丁酸辅酶A

6展望

以乙酰辅酶A为前体的生物基化学品众多，提高大肠杆菌乙酰辅酶A合成通量具有重要的研究意义和应用潜力。大肠杆菌传统的代谢工程策略包括阻断竞争途径（如乙酸途径）、调控合成乙酰辅酶A的关键酶（如丙酮酸脱氢酶复合体）、增加胞内辅酶A水平和调控中心碳代谢途径（如强化PP途径和降低TCA循环通量等）等。随着高通量测序技术和生物信息学的发展，越来越多的物种基因组和酶反应等信息被挖掘出来，基于基因组尺度代谢网络模型的新途径模拟设计、基于数据库（如ATLAS等）的新途径挖掘、基于碳骨架重排的新反应设计等，结合酶的定向进化可获得高效合成乙酰辅酶A及其衍生产品的新途径。将发现的新途径或新反应整合到大肠杆菌的基因组尺度代谢网络模型（如iJO），通过通量平衡分析（FBA）和通量可变性分析（FVA），模拟设计乙酰辅酶A及其衍生产品的合成途径，结合途径热力学可行性、途径能量利用效率和途径还原力平衡等，多角度评估分析确定最优合成途径设计，进一步通过OptKnock和OptForce等算法设计途径工程策略。克服传统的代谢工程对基因和途径的修饰主要采用“试错”的方法验证，无法全面地将不同策略进行合理组合优化，实现基因组尺度代谢网络的优化和产品合成。

此外，随着合成生物学技术和高效基因编辑技术的发展，可在短时间内进行高效率的基因敲除、敲入和替换，实现同时对多基因位点和代谢网络的全局调控。在此技术推动下，结合高通量筛选技术，研究者们可以更高效地构建基因文库并进行定向筛选。近年来，以大肠杆菌为宿主开发了多种高效的全局代谢网络调控策略，如MAGE、TRMR、RAGE等，可利用这些技术协助乙酰辅酶A高得率菌株的获得。随着CRISPR基因编辑技术的发展，研究者们进一步开发出了基因组修饰追踪技术，如年，美国科罗拉大学Gill课题组构建并优化的基于CRISPR可追踪基因组工程（CREATE，CRISPR-enabledtrackablegenomeengineering），实现在单次实验中达到数万个位点的理性突变，目前该技术已在菌株耐受性分析、3-羟基丙酸生产等领域取得成果，也可将这类技术应用到以乙酰辅酶A为前体的其他生物基产品合成的研究。

点击下方“阅读原文”查看摘要及更多信息