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新的代谢工程策略改善了聚合物原料的生物生产

2020-02-26 09:44:40 • 来源：

一个由博士生藤原凉介，田中刚辅副教授(神户大学工学研究生院)和研究科学家野田修平(RIKEN可持续资源科学中心)组成的研究小组已成功地提高了生物质。他们通过对生物生产中使用的细菌进行代谢工程来实现这一目标，因此它将利用从生物质中吸收的不同种类的糖来达到不同的目的。

使用微生物生产目标化学物质存在一些问题。如果微生物使用碳源(糖)进行自身繁殖，目标化学物质的生产就会减少。另一方面，抑制该繁殖会导致微生物变弱，导致产量整体下降。为了解决这个问题，研究小组开发了一种称为平行代谢途径工程(PMPE)的新策略，使他们能够控制目标化学物质的产生和微生物的繁殖。他们使用这种方法来改变大肠杆菌，以成功提高尼龙前体粘康酸的产量。

仅将选定的碳源用于目标化学产品生产，而将其余的碳源用于微生物繁殖，将在生产芳香族化合物以及医疗和化学产品原料方面带来巨大的进步。这项研究的结果于1月14日首次发表在《自然通讯》上。

工业依靠化石燃料作为生产各种产品的原料。然而，生产石油衍生的化合物增加了大气中CO 2的量，从而引起许多环境问题。

图2：上图：使用常规大肠杆菌进行生物生产。下图：使用大肠杆菌的PMPE菌株进行生物生产。信用：神户大学

因此，需要开发生物精炼技术，该技术涉及使用微生物从自然丰富的可再生资源例如树木和植物中生产化合物。生物质衍生产品具有碳中和的优势;它们不会增加大气中的CO 2量。希望使用生物质生产各种有用的化合物可以构成低碳社会的基础，从而减少大气中的CO 2含量。

粘康酸是一种有用的化学物质，可以很容易地转化成己二酸，这是尼龙生产中的一种成分。它也用作医疗和化学产品生产中的原材料。然而，目前它是从石油资源化学合成的。希望可以使用微生物和可再生的植物资源开发出一种发酵方法，使反应条件温和，副产物更少。

但是，使用微生物从生物质中生产目标化学品存在问题。在许多情况下，使用生物质的微生物会自行繁殖而不产生目标化学品。但是，为了防止微生物增加而改变新陈代谢会使其变弱，这意味着无法合成目标化学物质。微生物自我繁殖与目标化学品生产之间的平衡是一个大问题。

为了解决这一难题，研究团队开发了PMPE，在其中将微生物繁殖和目标化学生产之间的糖利用分开，从而使他们能够独立控制每个过程。

木质纤维素生物质不能与全球食品供应竞争，它由葡萄糖和木糖组成(图1)。该研究小组制定了一种代谢策略，其中涉及修饰大肠杆菌，以便它将葡萄糖用于目标化学生产，并利用木糖进行微生物繁殖。

在常规微生物中，葡萄糖和木糖使用相同的代谢途径，并且都用于微生物生长和目标化学物质产生(如图2所示)。因为微生物吸收了糖以产生并维持其生存所需的元素和能量，所以这减少了合成目标化学物质的量。

如图2所示，划分微生物的代谢途径可使每种糖独立使用，而所有葡萄糖均用于目标化学生产，而所有木糖则用于微生物繁殖和维持。因为没有葡萄糖被用于微生物生长，所以这允许产生更高产率的目标化学品。

该研究小组向经修饰的大肠杆菌引入了代谢途径，以合成粘康酸。经过修饰的大肠杆菌使用了葡萄糖和木糖，从而导致了目标化学品的产生。研究人员成功生产了4.26 g / L的粘康酸，产量为0.31g / g葡萄糖(图3)。这被认为是世界上最高的产量，证明了PMPE策略的有效性。

随后，研究人员研究了PMPE策略是否可以应用于粘康酸以外的目标化学品的生产。结果，他们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，后者被用作药品和食品中的添加剂。这些结果表明，PMPE是一种通用技术，可用于高效生产各种化合物。

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