微生物所于波研究组实现精草铵膦手性前体的高水平发酵合成

来源: 生物360 / 作者: 2021-08-04
1

草铵膦属于膦酸类除草剂,能够抑制植物氮代谢途径中的谷氨酰胺合成酶,从而干扰植物的代谢,使植物死亡。草铵膦具有杀草谱广、低毒、活性高和环境相容性好等特点,其发挥活性作用的速度比百草枯慢而优于草甘膦。随着国家明令禁止百草枯,并将逐步降低草甘膦的使用的政策引导,草铵膦的市场前景广阔。目前化学合成的草铵膦均为 DL 外消旋体,但仅 L - 草铵膦具有除草作用,而 D 型则几乎无活性。若制成仅有 L - 草铵膦(也称精草铵膦)的产品进行使用,可使草铵膦的用量减少一半,显著提高经济性,降低使用成本,减轻环境压力。 

L - 高丝氨酸是一种天然存在的非蛋白氨基酸,具有 L - 型 -α- 氨基酸的基本骨架,并且其γ- 羟基具有多样的化学活性,因此在药物学、生理学等方面有重要应用前景。由于其结构活性,L - 高丝氨酸及其衍生物作为手性中间体,在手性化学品合成领域也具有较好的应用潜力。由于目前较低的发酵效率,L - 高丝氨酸是少数还未实现规模化生产的氨基酸品种。L - 高丝氨酸具有 L - 草铵膦相同的分子骨架,是制备 L - 草铵膦的理想手性前体。中科院微生物所研究团队通过系统分析大肠杆菌中 L - 高丝氨酸的代谢网络,设计了一条从葡萄糖到 L - 高丝氨酸的高强度发酵路线。L - 天冬氨酸是 L - 高丝氨酸合成的前体。经草酰乙酸合成 L - 天冬氨酸再到 L - 高丝氨酸的厌氧途径(命名为 AspC 途径)具有最高的理论转化率(2.0 mol/mol),但是缺乏还原力;经富马酸合成 L - 天冬氨酸的耗氧途径(AspA 途径)具有较低的转化率(1.0 mol/mol),但富余还原力。通过途径耦合设计,建立了还原力整体平衡的发酵路径,并将还原力供给途径中释放的 CO2 重利用,设计的途径理论上不损失 C 元素。 

AspC 途径:Glucose + 6 NADPH + 2 CO2 = 2 L-Homoserine + 2 NADH 

AspA 途径:Glucose + 2 NADPH = L-Homoserine + 2 CO2 + 5 NADH + FADH2 

耦合途径:2 Glucose + 8 NADPH = 3 L-Homoserine + 7 NADH + FADH2 

依据上述途径设计思路,通过系统代谢工程改造,精细调控 L - 天冬氨酸两条合成通量配比,增强工程菌株途径关键酶的表达水平和 L - 高丝氨酸外排能力,进一步优化发酵工艺,L - 高丝氨酸的发酵水平突破 84 g/L,产率 1.96 g/L/h,转化率 0.5 g/g 葡萄糖,具有较好的经济性。 

该研究以 “Highly efficient production of L-homoserine in Escherichia coli by engineering a redox balance route” 为题,2021 年 7 月 28 日在线发表于 Metabolic Engineering 期刊上,已申请中国发明专利 2 项。中科院微生物研究所 2018 级博士生牟庆璇为论文第一作者,于波研究员和工业室发酵平台主任毛贤军博士为论文共同通讯作者,微生物研究所陶勇研究员为该工作完成提供了重要的指导和帮助。研究工作得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金委面上项目资助。 

“穷理以致其知,反躬以践其实”,在本论文发表前,中科院微生物研究所已与企业正式签订了技术排他许可合同,目前双方在积极推进产业化落地。 

  

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.ymben.2021.07.011 

声明:本网所有文章(包括图片和音视频资料)系出于传递更多信息之目的,且明确注明来源和作者,不希望被转载的媒体或个人可与我们联系(edit@bio360.net ),我们将立即进行删除处理。所有文章仅代表作者观点,不代表本站立场。