【概要描述】代谢重构酵母能量合成系统——双能量引擎助力高效细胞工厂

 



 

细胞增殖和化合物合成需要分解代谢过程来提供能量、氧化还原动力和生物合成的前体。对于脂质等高价值的储能化合物，其还原度远高于葡萄糖等底物，细胞往往需要额外的还原力和能量来合成这些化合物。而这无疑需要对细胞的代谢网络进行重构，因为细胞获取能量和还原力、前体分子的目的是为了自身生长，而不是产品合成。

 



 

近期，国际著名顶刊《Nature Metabolism》发表的题为“Metabolic reconfiguration enable synthetic reductive metabolism in yeast”的研究论文通过理性设计重构了酵母能量合成系统，实现了双能量引擎助力高效细胞工厂。研究人员通过理性重排还原代谢，在酵母细胞内构建了一个新型能量合成系统，利用重复的单脱羧反应和转氢循环实现了NADPH和NADH的合成，并进一步转变为能量ATP进行释放。如图一所示，该系统由磷酸戊糖（Pentose Phosphate，PP）循环、转氢循环和外部呼吸链三个模块组成。该系统可替代原有的TCA循环，可以通过提供能量ATP和增加细胞质中NADPH或NADH的供应来支持生长，也可以支持高度还原的化学物质的产生，如甘油、琥珀酸和游离脂肪酸（Free Fatty Acids，FFAs）。本研究是第一个通过理性设计构建的能量合成系统，它揭示了细胞能量代谢网络的可塑性，展现了生物设计的力量和魅力。



能量合成系统包含三个模块。首先，通过下调PFK1/2，将PP通路转化为PP循环，从而实现反复脱羧。H+以NADPH的形式携带。其次，引入一个转氢化酶循环，将NADPH转化为NADH。最后，细胞质中的NADH被转移到线粒体膜中的呼吸链上产生能量。

 

琥珀酸是一种四碳二羧酸，从丙酮酸合成琥珀酸需要细胞提供额外的还原力NADH。研究者在SynENG001菌株中过表达了琥珀酸合成所需要的各基因，并下调了磷酸果糖激酶（PFK）的表达水平推动碳流更多流向PP循环，使琥珀酸的产量升至约3.3 g/L（图二）。在此过程中研究者还发现了甘油的积累，这些都说明PP循环和转氢循环导致细胞内的NADH过剩。



自然界的产油真菌中线粒体内的异柠檬酸脱氢酶受损会导致油脂的过度生产，研究者在已优化的产自由脂肪酸菌株动态调控IDH2的表达，得到菌株Y&Z032。但是摇瓶发酵后细胞生长和FFAs产量都下降了。研究者推测这是由于胞内能量供应不足，因此放入了转氢循环和外部呼吸链，得到的菌株SynENG024生物量相对提高100%，FFA产量提高200%（图三a-c）。这也进一步印证了能量合成系统可以支持细胞生长和高还原性化合物的生产。此外，研究者还过表达不同来源的果糖-1,6-二磷酸酶FBP1来提高NADPH供应（图三d）；使用不同的启动子微调NADPH和ATP的比例，但并未观察到FFAs产量的明显提高。因此在胞内表达了非氧化糖酵解（Non-oxidative glycolysis，NOG）途径，将PP途径部分分流到乙酰辅酶A的合成。如预期所料，FFAs产量提高了30%（图三e）。分批补料发酵实验中，研究者在FFAs生产的最佳菌株SynENG050中恢复了完整功能的TCA循环来避免高浓度乙醇的积累，又过表达一份FFAs合成途径来竞争碳源和消耗过多的NADH，得到菌株SynENG058，发酵后使用正十二烷进行萃取，得到20 g/L的FFAs，产率达到0.134 g FFAs/g葡萄糖，为最高理论得率的40%（图三f），这是已知在酿酒酵母中的最高产量。

• 分类：太阳成集团tyc539
• 作者：海浪
• 来源：https://www.nature.com/articles/s42255-022-00654-1
• 发布时间：2022-12-20 15:23
• 访问量：