PBJ | 利用莱茵衣藻结合现代合成生物学和代谢工程策略，首次实现了基于二氧化碳的腐胺生物合成！

腐胺（丁二胺），化学名1,4-Diaminobutane，别名1,4-二氨基丁烷；它来源于氨基酸鸟氨酸或精氨酸。在化学工业中，腐胺是合成聚酰胺的重要组成部分。绿色微藻莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）积累了相对较高的腐胺数量，加上最近在基因工程方面的进展，使其能够产生一个强大的绿色细胞工厂，以促进基础化学品生产的可持续生物技术。

近日，德国比勒费尔德大学的Olaf Kruse团队在国际著名杂志Plant Biotechnology Journal在线发表了“Advanced pathway engineering for phototrophic putrescine production”的研究性论文。他们通过对莱茵衣藻内腐胺代谢的系统研究，通过采用现代合成生物学和代谢工程策略，首次实现了基于二氧化碳的腐胺生物生产。

与植物相似，莱茵衣藻（figure A）中的腐胺生物合成与叶绿体中的氮代谢和精氨酸生物合成密切相关。虽然铵可以直接被同化，但环境中的硝酸盐最初是通过亚硝酸盐还原为铵的。谷氨酰胺合成酶/谷氨酸硫氮合成酶循环催化无机铵与谷氨酸的结合，该循环还需要来自三羧酸（TCA）循环的α-酮戊二酸。腐胺的合成始于谷氨酸的enzymatic乙酰化和磷酸化，产生n-乙酰谷氨酸-5-磷酸。第二个限速反应（N-乙酰谷氨酸激酶，NAGK）的酶通过精氨酸的变构反馈抑制和c/N状态的SNSingPII信号转导蛋白的刺激进行调节。随后N-乙酰谷氨酸-5-磷酸盐的鸟氨酸生物合成需要另外三种酶反应，之后存在两种可能的腐胺合成途径，即鸟氨酸和精氨酸脱羧酶（ODC和ADC）途径。在这项工作中，作者通过功能基因分析和补充实验研究了莱茵梭菌的腐胺代谢，这是重组腐胺过量生产的起点。采用各种代谢工程策略来实现稳健的产量，包括关键途径酶的过度表达和表征，以及利用基于CRISPR/Cas9的基因组编辑进行途径调控。将基因工程与光合高密度培养相结合，可以最大限度地提高腐胺的积累。

这项研究显示了莱茵梭菌通过几种先进的代谢工程方法实现的第一次重组和光营养腐胺生产。成功敲除MX 2以阻止产品降解与有效过度表达两个拷贝的植物AbODC。当与优化的光营养高细胞密度培养策略相结合时，这导致最高体积产量为200 mg/L（图7A）。鸟氨酸在莱茵梭状芽胞杆菌的胞浆中很容易获得，重组精氨酸酶的表达不能提高其效价。作者发现了一种尚未报道的细菌ODCs底物混杂性，当其在莱茵梭菌胞浆中表达时，导致腐胺和高含量的4-氨基丁醇的形成。这种化合物很可能被释放到培养基中，为生物生产提供了一个有希望的替代目标。

转自：植物生物技术Pbj

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