无外源乙胺添加:系统代谢工程改造大肠杆菌

来源:High-level bioproduction of L-theanine by systematically engineered Escherichia coli without ethylamine feeding(Chemical Engineering Journal)| 编译:DNA Lab Space | 原文许可:elsevier-subscription

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导读

L-茶氨酸是茶叶中含量最丰富的游离氨基酸,广泛应用于食品、化妆品和医药领域。传统微生物发酵法依赖外源添加有毒的乙胺作为底物,制约了其绿色工业化进程。本研究在大肠杆菌中系统构建了双路径乙胺胞内合成体系,通过优化L-茶氨酸合成酶MmGMAS表达、阻断降解途径、强化前体供给、开发脱羧与转氨两条乙胺合成路径,并结合乙醛耐受性适应性进化,最终工程菌株THE-17在补料分批发酵中实现118.2 g/L的L-茶氨酸产量,为目前报道最高水平。

研究背景

L-茶氨酸(γ-谷氨酰乙胺)是一种来源于茶树的非蛋白质氨基酸,赋予茶叶独特的鲜味,直接影响茶叶品质与价格。除风味贡献外,L-茶氨酸具有促进放松、降低血压、改善认知、保护神经元和增强免疫等多种健康功效,已被美国FDA认定为公认安全物质(GRAS)。这些健康益处和安全性使其在食品、化妆品和制药行业得到广泛应用,年需求量持续攀升。

目前L-茶氨酸的生产方法包括从茶叶中提取、化学合成、酶法合成和添加乙胺的微生物发酵法。L-茶氨酸占绿茶和红茶游离氨基酸总量的40–70%,但仅占茶叶干重的1–2%,因此分离高纯度天然L-茶氨酸通常耗时且成本高昂。化学合成虽然简单、经济且产率高,但所得产物为外消旋混合物,且涉及有毒试剂。酶法合成和添加乙胺的发酵法虽然效率较高,但均依赖外源添加乙胺——一种易燃、腐蚀性强且具有刺激性的危险化学品,不仅增加生产成本,还带来安全和环境隐患。因此,开发无需外源乙胺添加的L-茶氨酸高效生物合成策略具有重要的工业应用价值。

研究方法

2.1 菌株、质粒和引物

本文所用菌株见表1。本研究所用质粒、引物和gRNA寡核苷酸见补充表1和表2。大肠杆菌DH5α用于质粒构建。高拷贝质粒pTrc用于过表达关键基因。

【数据】菌株:大肠杆菌DH5α(质粒构建);质粒:pTrc(高拷贝过表达载体);引物/gRNA:见补充表1和表2;原文未详述具体引物序列

2.2 遗传操作

质粒pTrc通过EcoRI和XbaI双酶切线性化,用于构建过表达质粒。以pTrc-E-P质粒为例,eutE基因使用引物对pTrc-E-P-UF/pTrc-E-P-UR扩增,PpspuC基因使用引物对pTrc-E-P-DF/pTrc-E-P-DR扩增。RBS设计在引物的同源臂内。扩增片段使用ClonExpress II一步克隆试剂盒(诺唯赞生物,南京,中国)连接至线性化载体,生成重组质粒pTrc-E-P。

来自Methylovorus mays、Methyloversatilis universalis和Methylobacterium extorquens的gmas基因[12];来自Bifidobacterium adolescentis的Baxfp基因;来自Mannheimia succiniciproducens的MspckA基因;来自Zymomonas mobilis的Zmpdc基因;来自Pseudomonas putida的PpspuC基因;来自C. sinensis的CsalaDC基因均由GENEWIZ公司(苏州,中国)合成并针对大肠杆菌表达进行密码子优化。BsalaDH基因从Bacillus subtilis 168中克隆。其余基因从大肠杆菌基因组中扩增,并与各自的上游和下游同源臂组装用于基因组编辑。CRISPR/Cas9介导的基因组编辑使用质粒pRED-Cas9和pGRB进行靶基因的整合或敲除[30]。

【数据】限制性内切酶:EcoRI、XbaI;克隆试剂盒:ClonExpress II一步克隆试剂盒(诺唯赞);gmas基因来源:M. mays、M. universalis、M. extorquens;Baxfp来源:B. adolescentis;MspckA来源:M. succiniciproducens;Zmpdc来源:Z. mobilis;PpspuC来源:P. putida;CsalaDC来源:C. sinensis;BsalaDH来源:B. subtilis 168;基因合成公司:GENEWIZ(苏州);基因组编辑系统:CRISPR/Cas9(pRED-Cas9和pGRB质粒);原文未详述酶切温度和时间

2.3 摇瓶发酵

将工程菌株接种至含5 mL LB培养基的试管中,37 °C培养12 h。随后将培养物转接至含30 mL种子培养基的500 mL挡板摇瓶中,37 °C、220 rpm振荡培养至600 nm光密度(OD600)达到15。之后以10%(v/v)接种量转接至含30 mL发酵培养基的500 mL挡板摇瓶中,37 °C、220 rpm培养24 h。定期取样1 mL用于后续分析。细胞生长、葡萄糖和氨基酸的测定参照先前研究所述方法[12,30,31]。所有发酵实验均进行三次平行。

种子培养基含30 g/L葡萄糖、3 g/L蛋白胨、5 g/L酵母提取物、1.2 g/L KH2PO4、0.5 g/L MgSO4、10 mg/L FeSO4、10 mg/L MnSO4、1.3 mg/L维生素B1,3,5,12、1 mg/L维生素H和8 mg/L酚红(pH调至7.0–7.2)。

发酵培养基含25 g/L葡萄糖、5 g/L蛋白胨、4 g/L酵母提取物、2 g/L KH2PO4、2 g/L MgSO4、2 g/L柠檬酸钠、20 mg/L FeSO4、10 mg/L MnSO4、2 mg/L维生素B1,3,5,12、2 mg/L维生素H和8 mg/L酚红(pH调至7.0–7.2)。酚红用作pH指示剂,添加25%(v/v)氨水维持pH约7.0。补料分批培养使用60%(w/v)葡萄糖溶液作为补料底物。同时,每3 h补充5 mL乙胺盐酸盐(16%,m/v)。

【数据】种子培养基:30 g/L葡萄糖、3 g/L蛋白胨、5 g/L酵母提取物、1.2 g/L KH2PO4、0.5 g/L MgSO4、10 mg/L FeSO4、10 mg/L MnSO4、1.3 mg/L维生素B1,3,5,12、1 mg/L维生素H、8 mg/L酚红,pH 7.0–7.2;发酵培养基:25 g/L葡萄糖、5 g/L蛋白胨、4 g/L酵母提取物、2 g/L KH2PO4、2 g/L MgSO4、2 g/L柠檬酸钠、20 mg/L FeSO4、10 mg/L MnSO4、2 mg/L维生素B1,3,5,12、2 mg/L维生素H、8 mg/L酚红,pH 7.0–7.2;接种量:10%(v/v);摇瓶培养条件:37°C、220 rpm、24 h;补料:60%(w/v)葡萄糖;乙胺盐酸盐补加:5 mL(16%,m/v),每3 h一次;平行实验:三次

2.4 5 L生物反应器补料分批发酵

将活化菌株从试管划线至琼脂斜面,37 °C培养12 h,随后将适量细胞接种至含2 L种子培养基的5 L生物反应器中。pH自动维持在7.0,溶解氧(DO)水平在37 °C下控制在约30%(v/v)。待OD600达到约20时,将600 mL种子培养液与1.9 L发酵培养基一同转入5 L发酵罐。当发酵液中葡萄糖耗尽时,以受控速率补加800 g/L葡萄糖溶液,确保整个过程中葡萄糖浓度始终低于1 g/L。

【数据】生物反应器体积:5 L;种子培养基体积:2 L;pH:7.0(自动维持);溶解氧:约30%(v/v);温度:37°C;转接条件:OD600约20;转接体积:600 mL种子培养液+1.9 L发酵培养基;补料葡萄糖浓度:800 g/L;葡萄糖残留控制:<1 g/L

2.5 分子对接模拟

本研究使用Discovery Studio 2019软件进行分子对接模拟。MeGMAS和MuGMAS的结构以MuGMAS晶体结构(PDB ID: 5QUR)为模板,使用AlphaFold2预测。两种配体L-谷氨酸(PubChem CID: 33032)和乙胺(PubChem CID: 6341)从PubChem数据库以3D格式获取。结合位点根据先前报道的活性中心位置定义[32,33]。结构优化后的L-谷氨酸或乙胺在CHARMm力场下使用高精度分子对接方法对接到制备的GMAS蛋白上[34,35]。选择最优对接构象并使用PyMOL软件进行可视化。

【数据】软件:Discovery Studio 2019;结构预测:AlphaFold2;模板:MuGMAS晶体结构(PDB ID: 5QUR);配体:L-谷氨酸(PubChem CID: 33032)、乙胺(PubChem CID: 6341);力场:CHARMm;可视化:PyMOL

2.6 适应性实验室进化

将乙醛(99%,无水级;CAS号75–07–0;上海阿拉丁生化科技股份有限公司)添加至M9基本培养基中以评估其对大肠杆菌的抑制作用。培养物在37 °C、220 rpm下培养24 h,通过测定OD600监测细胞生长。适应性实验室进化在含5 mL M9培养基的试管中通过连续传代进行,设两个平行。初始乙醛添加量为40 μL,每24 h转接一次。当培养物OD600达到0.6–0.7时,以5 μL递增增加剂量。由于乙醛的高挥发性和低沸点,将确定体积的纯无水乙醛(ρ = 0.783 g/mL)直接补充至培养基中。最终浓度根据其密度和分子量(44.05 g/mol)计算,在5 mL培养基中添加30、40、50和60 μL分别对应106 mM、142 mM、178 mM和213 mM。进化过程完成后,将进化后的谱系在含106–213 mM乙醛的试管中重新挑战以评估耐受性变化。随后,在固体培养基上分离对213 mM乙醛具有耐受性的细胞。挑取单菌落接种至含213 mM乙醛的M9培养基的96孔板中,37 °C、220 rpm培养24 h以评估生长表型。使用SpectraMax iD3酶标仪(Molecular Devices,美国)定量生物量。选择生物量最高的菌株用于后续补料分批发酵。

【数据】乙醛:99%无水级,CAS 75–07–0,密度0.783 g/mL,分子量44.05 g/mol;初始添加量:40 μL;转接间隔:24 h;剂量递增:5 μL;OD600阈值:0.6–0.7;对应浓度:30 μL→106 mM、40 μL→142 mM、50 μL→178 mM、60 μL→213 mM;培养基:M9基本培养基(5 mL);培养条件:37°C、220 rpm、24 h;酶标仪:SpectraMax iD3(Molecular Devices,美国);平行:两个

2.7 统计分析

除另有说明外,所有实验均设三个独立生物学重复。数据以平均值±标准差(SD)表示。统计显著性采用单因素方差分析(ANOVA)结合Dunnett多重比较检验进行评估。p ≤ 0.05认为差异具有统计学意义。

【数据】重复数:三个独立生物学重复;数据表示:平均值±标准差;统计方法:单因素方差分析(ANOVA)+ Dunnett多重比较检验;显著性阈值:p ≤ 0.05

研究结果

3.1 优化茶氨酸合成酶表达实现乙胺依赖型L-茶氨酸生物合成

细菌GMAS(由gmas编码)在L-茶氨酸生产中发挥重要作用。它催化γ-谷氨酰基从供体L-谷氨酸转移至受体乙胺,同时伴随ATP水解。在先前的研究中,Corynebacterium glutamicum GDK-9首次被改造为在5 L发酵罐中生产42 g/L L-茶氨酸,产率为19.6%。酶活性实验表明,来自M. mays、M. extorquens和M. universalis的GMAS酶对L-谷氨酸和乙胺表现出良好的活性[12]。由此可见,从甲胺同化细菌中分离的GMAS可能普遍可用于L-茶氨酸生物合成[1,26]。因此,我们首先筛选了这三个GMAS候选酶,包括MmGMAS(由Mmgmas编码)、MeGMAS(由Megmas编码)和MuGMAS(由Mugmas编码),以在大肠杆菌中构建L-茶氨酸生物合成途径(图2A)。

Screening exogenous GMAS enzymes and strengthening Mmgmas gene expression. (A). Expression of three exogenous gmas genes from the pTrc plasmid. (B). The distribution of the Mmgmas gene in the genome. (C). The OD600 value and L-theanine production at 24 h in shake flask fermentation via ethylamine su
▲ Screening exogenous GMAS enzymes and strengthening Mmgmas gene expression. (A). Expression of three exogenous gmas genes from the pTrc plasmid. (B). The distribution of the Mmgmas gene in the genome. (C). The OD600 value and L-theanine production at 24 h in shake flask fermentation via ethylamine su

摇瓶发酵实验表明,过表达Mmgmas基因的菌株表现最佳,产L-茶氨酸15.8 g/L,分别比Megmas和Mugmas的产量高25%和87.5%(图2C)。为达到与质粒表达Mmgmas相当的生产水平,我们将多拷贝整合到亲本菌株THE-0中(图2B)。所得菌株THE-3携带三个拷贝的Mmgmas,由Ptrc启动子控制,产L-茶氨酸14.8 g/L(图2C)。

先前研究已证明MmGMAS对L-谷氨酸和乙胺的比活性约为MeGMAS和MuGMAS的两倍[12,25]。然而,这种增强催化效率的结构基础仍不清楚,特别是决定其潜在乙胺底物偏好的分子因素。阐明GMAS与其底物的催化机制将为理性工程策略提供坚实基础,以实现高效L-茶氨酸生物合成。

【数据】质粒表达Mmgmas产量:15.8 g/L L-茶氨酸;Megmas产量:比Mmgmas低25%(即约12.6 g/L);Mugmas产量:比Mmgmas低87.5%(即约8.4 g/L);THE-3(三拷贝Mmgmas整合):14.8 g/L L-茶氨酸;MmGMAS比活性:约为MeGMAS和MuGMAS的2倍;出发菌株:THE-0;启动子:Ptrc

3.2 阐明GMAS结合机制以表征其乙胺偏好性

通过DNAMAN软件分析,MmGMAS、MeGMAS和MuGMAS的序列比对结果见图3A。MmGMAS与MuGMAS相似性最高(68.5%一致性),而MeGMAS与MmGMAS和MuGMAS的一致性约为30–40%。这表明MeGMAS可能具有与其他两种酶不同的底物结合模式。据此,我们通过分子对接分析研究了三种GMAS变体之间结合机制的差异。MmGMAS与ATP复合物的晶体结构以2.65 Å分辨率解析(PDB: 5QUR)[33]。在此基础上,使用AlphaFold2预测了MeGMAS和MuGMAS的三维结构。如图3所示,对三种蛋白质受体与配体L-谷氨酸和乙胺进行了半柔性对接。

The binding mechanism of three GMAS enzymes with L-glutamate and ethylamine via molecular docking prediction. (A). Sequences alignment of MmGMAS, MeGMAS, and MuGMAS. The molecular docking results of MmGMAS (B), MeGMAS (C), and MuGMAS (D) binding with L-glutamate and ethylamine. L-Glu represents L-gl
▲ The binding mechanism of three GMAS enzymes with L-glutamate and ethylamine via molecular docking prediction. (A). Sequences alignment of MmGMAS, MeGMAS, and MuGMAS. The molecular docking results of MmGMAS (B), MeGMAS (C), and MuGMAS (D) binding with L-glutamate and ethylamine. L-Glu represents L-gl

尽管L-谷氨酸似乎被紧密包裹在相同的结合位点中,但关键残基与配体之间的相互作用存在显著差异。在MmGMAS与L-谷氨酸的对接模型中,Arg-297带正电荷的胍基与L-谷氨酸的羧基形成强静电和氢键相互作用;His-242的咪唑环与L-谷氨酸的氨基形成氢键;Trp-309的吲哚环通过π-π堆积或疏水相互作用稳定底物;Glu-128的羧基与L-谷氨酸的氨基形成氢键(图3B)。这些相互作用形成密集的氢键网络,将L-谷氨酸牢固地固定在高稳定性的活性口袋中。

相比之下,对于MeGMAS,不仅关键残基的位置与MmGMAS和MuGMAS显著不同,相互作用模式也发生了实质性变化。它不再与保守基序-GATWAP-中的Trp残基相互作用,而是依赖间隔基序-GXGXHXHXS-(其中X表示任意氨基酸残基)中His-236附近的Gly-232形成氢键(图3C)。这种改变的相互作用模式也影响其他氨基酸残基与配体的结合,导致L-谷氨酸结合稳定性降低。对于MuGMAS,虽然存在与Lys-230的额外相互作用,但残基间相互作用的整体强度普遍弱于MmGMAS(图3D),这可能是其酶活性较低的原因之一。

对于乙胺,带正电荷的–NH3+基团可与MmGMAS和MuGMAS结合口袋中的三个残基形成氢键和静电相互作用,包括Glu-128、Glu(185或186)和Gln(190或191)(图3B和D)。Glu-128残基同时参与两种配体的结合,实现双底物协同结合。Glu和Gln残基位于同一保守区域-DHEDANGQFE-内。该区域观察到的结合模式与先前报道的MmGMAS甲胺结合位点一致[33]。在MuGMAS中,乙胺与Glu-185的羰基氧原子形成氢键,而在MmGMAS中,乙胺与羧基中的羟基氧原子相互作用。这种细微差异可能是活性口袋三维形状不同的原因之一。与此一致,表面表示显示MmGMAS的活性口袋形成更封闭的几何结构,将乙胺限制在更小的体积内,这可能是复合物稳定性增强的原因。相比之下,MeGMAS和MuGMAS的活性口袋使乙胺更多地暴露在表面,降低了结合稳定性。总体而言,这些发现揭示了这些GMAS直系同源物催化效率各异的原因,并为其通过蛋白质工程进行优化奠定了基础。

【数据】MmGMAS与MuGMAS序列一致性:68.5%;MeGMAS与MmGMAS/MuGMAS一致性:约30–40%;MmGMAS晶体结构分辨率:2.65 Å(PDB: 5QUR);MmGMAS关键残基:Arg-297、His-242、Trp-309、Glu-128;保守基序:-GATWAP-、-GXGXHXHXS-、-DHEDANGQFE-;MeGMAS关键残基:Gly-232、His-236;MuGMAS额外相互作用:Lys-230;乙胺结合残基:Glu-128、Glu(185/186)、Gln(190/191)

3.3 阻断L-茶氨酸降解途径以提高产量

GGT(由ggt编码)是一种双功能酶,催化三种反应:γ-谷氨酰转肽、水解和自转肽[36,37]。具体而言,大肠杆菌内源性GGT,也称为谷胱甘肽水解酶,可将谷胱甘肽水解为L-半胱氨酰甘氨酸和L-谷氨酸[38]。这表明其可能参与L-茶氨酸的降解(图4A)。研究人员进一步证明,敲除ggt基因可促进L-茶氨酸在大肠杆菌中的积累[26]。通过同源序列比对发现,ggt也存在于C. glutamicum中。同样,ggt的缺失使C. glutamicum中L-茶氨酸产量提高了13.71%[24]。因此,我们构建了THE-3的ggt缺陷突变体(图4B),然后通过在不供应乙胺的M9基本培养基中添加外源L-茶氨酸来评估其分解L-茶氨酸的能力。

Blocking the L-theanine degradation pathway in THE-3. (A). The permeation and decomposition pathways of L-theanine. (B). Genetic manipulations in THE-3. (C). Shake flask fermentation results with added L-theanine in M9 minimal medium. “+” represents adding 2 g/L L-theanine, and “++” represents addin
▲ Blocking the L-theanine degradation pathway in THE-3. (A). The permeation and decomposition pathways of L-theanine. (B). Genetic manipulations in THE-3. (C). Shake flask fermentation results with added L-theanine in M9 minimal medium. “+” represents adding 2 g/L L-theanine, and “++” represents addin

如图4C所示,与THE-3相比,在添加2 g/L和5 g/L L-茶氨酸的条件下,THE-4的胞内L-茶氨酸浓度分别增加了9.1%和116.3%,总L-茶氨酸浓度分别增加了20%和11.1%。这进一步证实了GGT在L-茶氨酸水解反应中的活性。显然,部分外源L-茶氨酸进入细胞,表明大肠杆菌中可能存在L-茶氨酸转运蛋白。在此背景下,由于L-茶氨酸与L-谷氨酰胺的结构相似性,酵母谷氨酰胺透性酶GNP1也已被明确证明具有L-茶氨酸转运活性[39]。据此,在大肠杆菌中发现了L-谷氨酰胺透性酶GlnP(由glnP编码)并在THE-3中进行了敲除(图4A和B)。胞外L-茶氨酸含量增加。

【数据】ggt敲除菌株:THE-4;添加2 g/L L-茶氨酸时胞内浓度增加:9.1%;添加5 g/L L-茶氨酸时胞内浓度增加:116.3%;添加2 g/L时总L-茶氨酸增加:20%;添加5 g/L时总L-茶氨酸增加:11.1%;C. glutamicum中ggt缺失产量提升:13.71%;L-茶氨酸添加量:2 g/L和5 g/L;培养基:M9基本培养基(无乙胺供应)

3.4 强化THE-6中丙酮酸和L-谷氨酸供给

L-茶氨酸生物合成需要L-谷氨酸和乙胺作为前体。为增强前体供给,我们首先强化了丙酮酸和L-谷氨酸的代谢通量(图5A)。丙酮酸是L-谷氨酸生物合成的关键前体。我们过表达了来自B. adolescentis的Baxfp(果糖-1,6-二磷酸酶)以增强磷酸烯醇式丙酮酸到果糖-6-磷酸的碳回流,并敲除了MspckA(来自M. succiniciproducens的磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶)以减少草酰乙酸的消耗。同时,我们过表达了谷氨酸脱氢酶以增强α-酮戊二酸向L-谷氨酸的转化。在THE-4基础上进行这些遗传操作后获得菌株THE-6(图5B)。

Strengthening pyruvate and L-glutamate supply in THE-6. (A). Pyruvate and L-glutamate metabolic pathways. (B). Genetic manipulations in THE-6. (C). Shake flask fermentation results with engineered strains via ethylamine supply. Fermentation experiments were conducted in triplicate, and SD between re
▲ Strengthening pyruvate and L-glutamate supply in THE-6. (A). Pyruvate and L-glutamate metabolic pathways. (B). Genetic manipulations in THE-6. (C). Shake flask fermentation results with engineered strains via ethylamine supply. Fermentation experiments were conducted in triplicate, and SD between re

通过乙胺供应的摇瓶发酵结果显示,THE-6产L-茶氨酸16.8 g/L,较THE-4有所提高(图5C)。发酵实验进行三次平行,图中显示重复间的标准差。

【数据】菌株:THE-6(在THE-4基础上过表达Baxfp、敲除MspckA、过表达谷氨酸脱氢酶);L-茶氨酸产量:16.8 g/L;平行实验:三次;图中显示标准差

3.5 在THE-9中开发乙胺合成的脱羧途径

为实现无需外源乙胺添加的L-茶氨酸生产,我们在THE-6中开发了基于脱羧途径的乙胺胞内合成(图6A)。该途径通过CsAlaDC(来自C. sinensis的L-丙氨酸脱羧酶)催化L-丙氨酸脱羧生成乙胺。首先在THE-9中通过质粒过表达CsAlaDC和BsAlaDH(来自B. subtilis 168的丙氨酸脱氢酶)(图6B),随后进行基因组整合(图6C)。

在THE-9中构建乙胺合成的脱羧途径。(A) 乙胺合成的脱羧途径。(B) 在THE-9中基于质粒过表达CsAlaDC和BsAlaDH。(C) THE-9中的遗传操作。(D
▲ 在THE-9中构建乙胺合成的脱羧途径。(A) 乙胺合成的脱羧途径。(B) 在THE-9中基于质粒过表达CsAlaDC和BsAlaDH。(C) THE-9中的遗传操作。(D

摇瓶发酵结果显示,THE-9产L-茶氨酸22.8 g/L(在乙胺供应条件下),而在无外源乙胺条件下,THE-13产L-茶氨酸19.5 g/L和L-丙氨酸5.4 g/L(图6D)。

【数据】菌株:THE-9(乙胺供应,22.8 g/L L-茶氨酸)、THE-13(无外源乙胺,19.5 g/L L-茶氨酸+5.4 g/L L-丙氨酸);关键酶:CsAlaDC(C. sinensis L-丙氨酸脱羧酶)、BsAlaDH(B. subtilis 168丙氨酸脱氢酶);途径:脱羧途径

3.6 在THE-13中开发乙胺合成的转氨途径

为进一步提高乙胺供应并减少L-丙氨酸积累,我们在THE-13中开发了转氨途径(图7A)。该途径通过eutE(来自大肠杆菌的乙醛脱氢酶)、Zmpdc(来自Z. mobilis的丙酮酸脱羧酶)和PpspuC(来自P. putida的腐胺转氨酶)协同作用,以L-丙氨酸为氨基供体合成乙胺。首先通过质粒过表达这三个基因(图7B),随后进行基因组整合(图7C)。

开发THE-13中乙胺合成的转氨途径。(A). 乙胺合成的转氨途径。(B). 在THE-13中基于质粒过表达eutE、Zmpdc和PpspuC。(C). THE-13中的基因操作。(D). 工程化st的摇瓶发酵结果
▲ 开发THE-13中乙胺合成的转氨途径。(A). 乙胺合成的转氨途径。(B). 在THE-13中基于质粒过表达eutE、Zmpdc和PpspuC。(C). THE-13中的基因操作。(D). 工程化st的摇瓶发酵结果

摇瓶发酵结果显示,工程菌株在无外源乙胺条件下产L-茶氨酸进一步提升(图7D)。

【数据】菌株:THE-13衍生菌株(转氨途径);关键酶:eutE(大肠杆菌乙醛脱氢酶)、Zmpdc(Z. mobilis丙酮酸脱羧酶)、PpspuC(P. putida腐胺转氨酶);氨基供体:L-丙氨酸;原文未详述该段具体产量数值

3.7 THE-9、THE-13和进化菌株THE-17的补料分批发酵

对THE-9、THE-13和进化后的THE-17在5 L生物反应器中进行补料分批发酵评估(图8)。THE-17经乙醛耐受性适应性进化获得。最终工程菌株THE-17在补料分批发酵中实现了118.2 g/L的L-茶氨酸产量,产率为0.389 g/g葡萄糖,生产强度为2.46 g/L/h。

THE-9、THE-13和进化后的THE-17在5 L生物反应器中的补料分批发酵曲线。
▲ THE-9、THE-13和进化后的THE-17在5 L生物反应器中的补料分批发酵曲线。

【数据】菌株:THE-17(经乙醛耐受性进化);L-茶氨酸产量:118.2 g/L;产率:0.389 g/g葡萄糖;生产强度:2.46 g/L/h;发酵规模:5 L生物反应器;对比菌株:THE-9、THE-13

讨论与解读

本研究建立了绿色、可持续且高效的L-茶氨酸生产策略,通过在大肠杆菌中工程化双路径乙胺生物合成实现。研究通过三个关键战略步骤:(1) 优化L-茶氨酸合成酶MmGMAS的表达并阐明其对乙胺的底物偏好机制,同时删除L-茶氨酸降解途径并增强前体供给;(2) 开发脱羧途径并优化CsAlaDC表达,实现无需外源乙胺添加的L-茶氨酸合成;(3) 构建协同转氨途径以最小化L-丙氨酸积累并提高碳利用效率。经乙醛耐受性适应性实验室进化后,最终工程菌株THE-17在补料分批发酵中达到118.2 g/L的产量,产率0.389 g/g葡萄糖,生产强度2.46 g/L/h,为目前报道的最高L-茶氨酸产量。与依赖外源乙胺添加的传统"半发酵-半生物转化"工艺不同,本方法利用胞内合成的乙胺进行L-茶氨酸生产。

编译者解读:该研究在合成生物学层面展示了"替代危险底物"的经典范式——通过胞内代谢途径重构,将外源添加乙胺转变为自主供应,同时以适应性进化解决中间代谢物乙醛的毒性瓶颈。118.2 g/L的产量和2.46 g/L/h的生产强度已接近工业发酵经济性阈值。不过,双路径乙胺合成的碳代谢负担与副产物L-丙氨酸的积累仍是进一步优化的空间,未来可结合动态调控或途径解耦策略进一步提升碳原子经济性。

参考来源

期刊:Chemical Engineering Journal, 2026

DOI: 10.1016/j.cej.2026.181930

DOI: 10.1016/j.cej.2026.181930

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