产甲烷芽孢杆菌中过表达trp操纵子实现以甲醇和甘露醇为碳源的高效L-色氨酸生物合成

《Microbial Cell Factories》：Sustainable l -tryptophan biosynthesis by engineered Bacillus methanolicus utilizing methanol and mannitol

　　

摘要

背景

产甲烷芽孢杆菌是一种嗜热甲烷营养细菌，已被广泛用于基于甲醇的高附加值化学品的生物生产。此外，它还能利用甘露醇作为唯一碳源，鉴于甘露醇是废物和残余生物质中的碳水化合物成分，这一特性具有重要意义。

结果

在本研究中，我们通过使用质粒系统过表达其天然trp操纵子（trpEGDCFBA），评估了产甲烷芽孢杆菌作为L-色氨酸（Trp）生产宿主的能力。携带过表达操纵子的菌株在甲醇培养中表现出150 mg L?1的色氨酸滴度，而野生型菌株的滴度约为6 mg L?1。共同表达邻氨基苯甲酸合成酶-磷酸核糖转移酶复合物基因trpEGD进一步将产量提升至295 mg L?1，突显了该酶复合物作为产甲烷芽孢杆菌色氨酸生物合成中剂量敏感控制点的地位。在小型摇瓶条件下，工程菌株在甲醇上的碳转化率达到约0.1 g g?1，与传统基于葡萄糖的发酵表现相当。转录组分析显示，在色氨酸过量生产条件下有91个基因差异表达，包括中心碳代谢、胁迫响应和转运基因的下调，表明细胞资源向色氨酸合成方向的节能再分配。嘌呤和嘧啶代谢的上调表明色氨酸生物合成与核苷酸代谢之间存在紧密的相互作用。通量平衡分析证实了这些转录组数据，表明色氨酸生产过程中存在相似的代谢重编程。操纵子分析揭示trp基因簇内存在两个不同的转录单元，并提示产甲烷芽孢杆菌在5'非翻译区具有T-box调控元件。使用甲醇和甘露醇进行培养基优化，在摇瓶规模下色氨酸滴度最高可达861 mg L?1。此外，甲醇补料分批发酵实现了6.8 g L?1的色氨酸滴度，这是基于甲醇生产中首次达到如此水平的报道。

结论

本研究结果强调了甲醇以及甘露醇作为色氨酸生产可持续底物的潜力。所获得的滴度和转录信息为未来代谢工程策略以及在产甲烷芽孢杆菌中使用下一代原料放大生产色氨酸奠定了基础。