丁二酸是一種優(yōu)秀的平臺(tái)化合物，在化工、材料、醫(yī)藥、食品領(lǐng)域有著廣泛的用途，被美國能源部列為未來12種最有價(jià)值的平臺(tái)化合物之一。作為C4平臺(tái)化合物，其可用于合成1,4-丁二醇、四氫呋喃、γ-丁內(nèi)酯以及生物可降解材料聚丁二酸丁二醇酯（PBS）。構(gòu)建高效生產(chǎn)丁二酸的微生物細(xì)胞工廠，將可再生的生物質(zhì)資源高效轉(zhuǎn)化為丁二酸，是近年來國際上的研究熱點(diǎn)。
中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的張學(xué)禮研究員課題組結(jié)合理性遺傳改造和進(jìn)化代謝技術(shù)，構(gòu)建出高效生產(chǎn)丁二酸的大腸桿菌細(xì)胞工廠HX024，糖酸轉(zhuǎn)化率達(dá)1.36 mol/mol，為理論最大轉(zhuǎn)化率的80%。在此基礎(chǔ)上，通過全基因組測(cè)序、轉(zhuǎn)錄組分析及酶活分析，解析了細(xì)胞工廠HX024高產(chǎn)丁二酸的分子機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)丙酮酸脫氫酶PDH的E3編碼基因lpdA發(fā)生突變，突變的lpdA基因?qū)е旅富畋纫吧吞岣吡?6倍，解除了NADH對(duì)PDH酶活的抑制，從而為厭氧合成丁二酸途徑提供更多的還原力。另一方面，丁二酸合成途徑中9個(gè)功能模塊的18個(gè)基因的表達(dá)水平發(fā)生了顯著變化。其中，磷酸戊糖途徑、轉(zhuǎn)氫酶和丙酮酸脫氫酶的激活提高了細(xì)胞的還原力供給，從而提高了丁二酸的糖酸轉(zhuǎn)化率。葡萄糖利用、PEP羧化、還原型TCA和丁二酸轉(zhuǎn)運(yùn)模塊的激活提高了丁二酸的生產(chǎn)速率。
在此基礎(chǔ)上，使用反向代謝工程技術(shù)，在出發(fā)菌株中激活磷酸戊糖途徑、轉(zhuǎn)氫酶和丙酮酸脫氫酶，將丁二酸的糖酸轉(zhuǎn)化率從1.12提高到1.5 mol/mol（理論最大轉(zhuǎn)化率的88%），進(jìn)一步證明了這三個(gè)模塊的激活是導(dǎo)致丁二酸糖酸轉(zhuǎn)化率提升的關(guān)鍵，并在國際上首次提出了以NADPH為還原力的丁二酸合成新途徑。
相關(guān)研究成果申請(qǐng)了2項(xiàng)PCT專利（PCT/CN2014/078284；PCT/CN2014/078265），并發(fā)表在Metabolic Engineeing期刊上，天津工生所的朱欣娜博士和博士研究生譚在高為論文的共同第一作者。
該研究得到國家“973”計(jì)劃、“863”計(jì)劃、自然科學(xué)基金和中科院知識(shí)創(chuàng)新工程的支持。
以NADPH為還原力的丁二酸合成途徑
