γ-氨基丁酸 (GABA)是一種重要的非蛋白氨基酸，具有降血壓、促睡眠、治療癲癇和解毒等多種生理功能，在食品、醫(yī)藥保健、飲料加工等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。然而目前通過發(fā)酵法利用低附加值底物生產(chǎn)GABA仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，產(chǎn)量較低，尚不能滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。因此，開發(fā)高效的GABA合成細(xì)胞工廠具有現(xiàn)實(shí)意義。
中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員劉君帶領(lǐng)的微生物生理和代謝工程研究組以低價(jià)值甘油為原料，通過途徑工程和動(dòng)態(tài)代謝控制，開發(fā)了高效生產(chǎn)GABA谷氨酸棒桿菌細(xì)胞工廠。該研究首先利用隨機(jī)RBS工程技術(shù)在谷氨酸棒桿菌中構(gòu)建并優(yōu)化了甘油利用途徑，實(shí)現(xiàn)了甘油的高效同化利用。隨后在該菌株中重建GABA合成途徑，構(gòu)建GABA合成細(xì)胞工廠，實(shí)現(xiàn)了甘油向GABA的生物轉(zhuǎn)化。在GABA合成過程中需要TCA循環(huán)中間產(chǎn)物α-酮戊二酸為底物，而將過量的α-酮戊二酸代謝流導(dǎo)向GABA合成途徑必然引起TCA循環(huán)通量降低，從而造成代謝失衡和生長阻滯，因此，如何平衡產(chǎn)物合成和細(xì)胞生長的關(guān)系是提升GABA生物合成的關(guān)鍵限制因素。該研究隨后在谷氨酸棒桿菌中開發(fā)了一種可調(diào)的生長期依賴性自主雙功能遺傳開關(guān)（GABS），能夠根據(jù)細(xì)胞生長時(shí)期自動(dòng)關(guān)閉或開啟基因的表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)基因的動(dòng)態(tài)表達(dá)調(diào)控。利用該調(diào)控技術(shù)重構(gòu)了GABA合成代謝網(wǎng)絡(luò)，工程菌株能夠在積累足量的生物量之后發(fā)生代謝狀態(tài)轉(zhuǎn)變，使細(xì)胞代謝狀態(tài)由“生長模式”向“生產(chǎn)模式”轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞生長和產(chǎn)物合成的協(xié)同平衡。最終構(gòu)建的工程菌株GABA產(chǎn)量超過45 g/L，產(chǎn)率提升至0.4 g/g 甘油，是目前報(bào)道的利用甘油生產(chǎn)GABA的最高產(chǎn)量，對谷氨酸棒桿菌細(xì)胞工廠的代謝調(diào)控提供了新的工具和方法。
該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的資助。該研究成果已在國際期刊Metabolic Engineering上發(fā)表。天津工生所博士后魏亮為該論文第一作者，劉君和天津科技大學(xué)副研究員劉清岱為該論文的共同通訊作者。
動(dòng)態(tài)調(diào)控策略改造谷氨酸棒桿菌利用甘油生產(chǎn)GABA
來源：中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所
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