代谢工程改造大肠杆菌利用甘油合成聚(3-羟基辛酸)(PHO)的策略及其生物材料应用潜力

本研究通过系统性代谢工程策略，成功在大肠杆菌中构建了从廉价原料甘油合成聚(3-羟基辛酸)(PHO)的生物合成途径。通过敲除β-氧化通路基因(ΔfadRABIJ)、表达特异性硫酯酶(CupTE)及PHA合成酶系(PhaJ2/PhaC2)，实现了15%细胞干重的高效PHO积累，为可降解生物材料提供了可持续生产方案。

　　

筛选用于PHO生产的PHA合成基因组合

为确定PHO生产的最高效酶组合，本研究测试了来自铜绿假单胞菌PAO1的(1)立体特异性烯酰辅酶A水合酶(PhaJ1-4)和(2)PHA合成酶(PhaC1-2)的组合。先前研究表明，异源共表达恶臭假单胞菌KT2440的中链酰基辅酶A合成酶(^PpfadD)能显著提升大肠杆菌中mcl-PHA的积累量。

讨论

本研究通过平衡代谢通路并利用C₈特异性硫酯酶，成功改造大肠杆菌使其能够从甘油生产聚(3-羟基辛酸)(PHO)。首先通过直接饲喂辛酸盐筛选PhaJ和PhaC酶组合，发现铜绿假单胞菌PhaJ2与PhaC2的组合能产生最高PHO产量。该组合的优异性能源于其更高的底物特异性与催化效率。

菌株、试剂、培养基和生长条件

本研究所有菌株总结于表1。使用大肠杆菌ΔfadRABIJ在LB培养基中通过外源添加辛酸钠鉴定最佳phaJ和phaC组合对PHO积累的效果。大肠杆菌NHL18用于通过内源合成辛酸生产PHO。化学试剂购自Sigma Aldrich或Fisher Scientific，克隆用酶购自New England Biolabs。

作者贡献声明

Shivangi Mishra：文稿审阅与起草、可视化、研究实施、形式化分析、数据管理、概念化；Ke Xu：文稿审阅与起草、研究实施、形式化分析、数据管理、概念化；Madeline K. Kuckuk：可视化、研究实施、形式化分析；William T. Cordell：文稿审阅与起草、可视化、研究实施、数据管理；Néstor J. Hernández-Lozada：（贡献内容未完整提供）

致谢

作者感谢与Erica Majumder教授关于PHA加工的有益讨论。本研究获得美国国家科学基金会(CBET-1703504; IOS-2319732; MCB-2327962)、ARPA-E(DE-AR0001503)及乳业商业联盟(DBIA)资助。