3-苯丙醇是一種具有芳香味的高價(jià)值香料，在醫(yī)藥、化妝品、食品等領(lǐng)域有廣泛用途，是生產(chǎn)多種藥品和化學(xué)品的重要前體。其目前的生產(chǎn)方法主要依賴(lài)于植物提取和化學(xué)合成，存在產(chǎn)物得率低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)和環(huán)境不友好等缺點(diǎn)。為解決這些問(wèn)題，構(gòu)建微生物細(xì)胞工廠利用可再生資源合成3-苯丙醇具有重要的意義。

研究方法

北京化工大學(xué)的高虎濤等人通過(guò)將目標(biāo)化合物與微生物自身代謝網(wǎng)絡(luò)建立聯(lián)系，基于底物或中間體與產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)類(lèi)似性以及化合物間的基團(tuán)轉(zhuǎn)移關(guān)系，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了兩條不同的3-苯丙醇的人工生物合成途徑。其中，依賴(lài)羧酸還原酶的苯丙醇生物合成途徑具有較高的生產(chǎn)效率。在大腸桿菌中實(shí)現(xiàn)了以甘油為碳源，從頭生物合成3-苯丙醇，產(chǎn)量達(dá)91 mg/L。通過(guò)消除限速步驟，增加莽草酸途徑碳通量以及敲除競(jìng)爭(zhēng)途徑等代謝工程策略的實(shí)施，將苯丙醇的產(chǎn)量提高到了841 mg/L，較初始菌株產(chǎn)量提高了9.2倍，為苯丙醇的綠色、可持續(xù)、大規(guī)模生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)。

研究意義

在過(guò)去的幾十年中，利用微生物作為平臺(tái)菌生產(chǎn)高附加值化合物的綠色生產(chǎn)方式已逐漸替代利用石油基合成化合物的高風(fēng)險(xiǎn)、高污染的方式。隨著科學(xué)工作者對(duì)各種微生物系統(tǒng)、深入且明晰的研究以及基因編輯方法、高通量篩選方法的不斷成熟，改造微生物使其利用廉價(jià)碳原料合成高附加值化學(xué)品的合成生物學(xué)已經(jīng)廣泛用于醫(yī)療、食品、化妝品、化學(xué)品、環(huán)境保護(hù)等重要領(lǐng)域，中國(guó)“十三五”規(guī)劃中明確把合成生物學(xué)作為重點(diǎn)創(chuàng)新發(fā)展領(lǐng)域。到2030年，將基本形成比較完整的合成生物技術(shù)創(chuàng)新體系，合成生物產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力大幅提升。

高虎濤等人以合成生物學(xué)和代謝工程學(xué)的理論為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了兩種3-苯丙醇的合成方式，這兩種合成方式共享同樣的上游代謝途徑，即以甘油為基本碳源，經(jīng)糖異生途徑和磷酸戊糖途徑分別生成重要前體磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和D-赤蘚糖-4-磷酸（E4P），經(jīng)DAHP合酶催化合成莽草酸途徑的第一個(gè)化合物3-脫氧-D-阿拉伯糖庚酸七磷酸酯。通過(guò)調(diào)控基因表達(dá)、削弱競(jìng)爭(zhēng)途徑、調(diào)節(jié)碳流量分配等方式，不斷改善菌株的生產(chǎn)性能，最終實(shí)現(xiàn)3-苯丙醇的高產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 高虎濤, 王佳, 孫新曉, 申曉林, 袁其朋. 在大腸桿菌中從頭生物合成3-苯丙醇[J]. 合成生物學(xué), 2021, 2(6): 1046-1060.