工程化甲基营养菌以乙醇为碳源从头合成肉桂酸

《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》：Metabolic engineering of Methylorubrum extorquens PA1 for cinnamic acid production from ethanol

　　

摘要

背景

开发能够将乙醇转化为增值产品的微生物平台对下一代碳循环生物炼制至关重要。Methylorubrum extorquens PA1 是一种能够同化乙醇的兼性甲基营养菌，然而其从乙醇合成芳香化合物的代谢潜力尚未得到探索。

结果

在此，我们首次报道了在甲基营养菌中从乙醇从头合成肉桂酸（CA）。代谢物分析表明，乙醇同化受到乙酸转化为乙酰-CoA效率低下的限制。过表达内源乙酰-CoA合成酶（MeACS1）抑制了胞外乙酸积累，并提高了在乙醇上的生长。为建立CA生物合成模块，我们引入了海洋链霉菌苯丙氨酸脱氨酶（SmEncP），实现了L-苯丙氨酸向CA的转化。为增强前体供应，我们通过共表达来自大肠杆菌的反馈抑制抗性3-脱氧-D-阿拉伯庚糖-7-磷酸合酶（EcAroG^fbr）和预苯酸变位酶/预苯酸脱氢酶（EcPheA^fbr），加强了莽草酸途径和苯丙氨酸合成途径。此外，过表达内源转酮醇酶（MeTkt）以增强赤藓糖-4-磷酸的供应。最终得到的菌株PAc1/pTE102-CA3在试管培养中从乙醇生产了1.75 mg L?¹的CA，是甲醇培养产量的2.6倍。采用乙醇补料的补料分批培养实现了52.34 mg L?¹的CA产量，证明在无明显生长抑制或乙酸积累的情况下，乙醇能够稳定转化为增值化学品。

结论

本研究确立了M. extorquens PA1作为基于乙醇的芳香化合物生物合成的潜力底盘细胞，并表明缓解乙酰-CoA瓶颈可能是实现高效乙醇同化的关键。本工作实现了甲基营养菌中以乙醇为驱动的芳香化合物生物合成，并为进一步工程化C2同化细菌生产可再生化学品奠定了基础。