利用油脂原料高效合成β丙氨酸

来源：mLife Journal 2022-06-23 10:38

该研究建立了利用地沟油、油料副产物等替代原料合成目标化学品的新型绿色生物制造模式，并对促进碳中和技术的开发具有重要意义。

绿色合成生物制造以微生物为细胞工厂生产化工产品，能够解决传统化工生产引发的环境污染、资源不可再生等问题，但生物制造技术路线只有解决成本问题才具有应用价值。TCA循环是生物体重要碳代谢途径，能够提供大量的重要目标化学品。但现有生物合成途径往往涉及碳丢失、与生物量竞争等问题，影响了原料转化率并导致无法实现产业化应用。挖掘低成本的替代原料、设计高效率的合成途径并实现碳原子的有效利用，成为解决问题的关键。

 

科学发现

该团队设计了以脂肪酸为原料合成TCA循环衍生化学品的生物合成路线。脂肪酸可以来自于各种廉价油脂原料，脂肪酸经β氧化降解后可以提供乙酰辅酶A并进入TCA循环，其过程不会发生碳丢失。同时该研究选择了β-丙氨酸作为目标产品。β-丙氨酸是一种重要的TCA循环衍生产物。在生物体内β-丙氨酸是泛酸和辅酶A的前体。β-丙氨酸也是极具潜力的三碳化学品之一，可应用于化妆品、饲料添加剂，并作为前体应用于化工、制药及材料领域。在以脂肪酸为原料经乙醛酸-TCA循环合成β-丙氨酸的合成途径中，理论转化率高达1.391 g/g。

图1 利用油脂原料（脂肪酸）合成TCA循环衍生化学品的生物合成路线：（A）油脂原料（棕榈酸为例）合成TCA循环中间体（草酰乙酸为例）具有更高的理论转化率；（B）油脂原料合成β-丙氨酸的代谢途径设计

 

该研究首先通过引入panD、强化aspA等基因，初步构建了利用脂肪酸合成β-丙氨酸的菌株，β-丙氨酸的转化率可达0.71 g/g，超过了葡萄糖原料。该团队发现，乙醛酸途径在利用脂肪酸时被显著上调，从而有利于目标产物的合成。通过在icd/suc/fum等节点阻断TCA循环可以提高β-丙氨酸产量，但在发酵过程中会影响细胞生长并降低脂肪酸利用率。途径分析证实，这主要是由于草酰乙酸不足，从而影响了乙醛酸-TCA循环的效率造成的。进而通过系统性分析相关靶点，敲除aspC并回补fum等功能，实现了通量平衡。通过进一步解除发酵过程中的氧胁迫抑制，最终菌株催化49小时的β-丙氨酸产量达到72.05 g/L，最高转化率达到1.24 g/g，约为理论值的86%，远超过目前已报道的水平。

图2 油脂原料合成β-丙氨酸的途径解析及细胞工厂的构建：（A）通过TCA循环中间体的积累确定合成途径的限制因素；（B）利用优化的细胞工厂实现β-丙氨酸的高水平合成

 

总结展望

以脂肪酸原料为基础，该团队建立了一条合成β-丙氨酸及TCA循环衍生产品的新型路线。脂肪酸原料有利于高效率乙醛酸-TCA循环的实现，有利于目标产物的合成，并解决了碳丢失、细胞生长抑制等问题。该研究建立了利用地沟油、油料副产物等替代原料合成目标化学品的新型绿色生物制造模式，并对促进碳中和技术的开发具有重要意义。