近期，我校生物工程学院刘立明教授团队在微生物从头合成聚酰胺塑料PX5单体戊二酸方面取得重要进展，研究成果“Systems engineering of Escherichia coli for high-level glutarate production from glucose”正式发表于Nature Communications (IF =16.6) (https://doi.org/10.1038/s41467-024-45448-z)。
戊二酸是一种重要的二元羧酸，是聚酯和聚酰胺生产中的关键单体，在化学、医药、建筑、农业等领域应用广泛。利用微生物细胞生产戊二酸是一种绿色可持续的生产工艺，然而现有的戊二酸生物合成途径步骤长、辅因子需求多，导致生产效率低下。针对上述问题，刘立明教授团队首先对戊二酸合成前体赖氨酸的生产进行了优化，通过基因组规模代谢网络模型预测获得9个潜在改造靶点，对上述靶点进行启动子优化、起始密码子替换、重复表达等代谢工程改造，获得赖氨酸产量为196 g/L、得率为0.67 g/g葡萄糖的工程大肠杆菌Lys5；随后，提出了“底物基团分析、起始反应确定、酶源信息对比和体外组装测试”的途径设计流程，构建了一条仅由三个酶组成的戊二酸合成新途径AMA（图1），具有反应步骤最短、驱动力最大的优势，将新途径引入赖氨酸高产菌株Lys5，获得以葡萄糖为碳源能积累51.6 g/L戊二酸的菌株AMA01；进一步，为了提高途径效率，围绕限速酶醛脱氢酶ALDH，通过蛋白结晶、催化机制解析、反应过渡态能垒分析和蛋白质工程改造，得到催化效率提升51倍的突变体Mu5，将突变体Mu5引入菌株AMA01，有效地降低了有毒中间代谢物戊二醛的积累，获得能以葡萄糖为碳源积累72.5 g/L戊二酸的菌株AMA02；最后，为了解决发酵后期细胞死亡率高的问题，利用转录组学技术鉴定出戊二酸耐受新靶点cbpA，并将其在基因组上过表达以提高戊二酸合成效率。通过酶表达优化，最优菌株AMA06的戊二酸产量、得率和生产强度分别达到88.4 g/L、0.42 g/g葡萄糖和1.8 g/L·h，这些发现对于提高微生物细胞工厂的戊二酸生物合成效率具有重要意义。
图1 设计戊二酸合成新途径AMA
生物工程学院2020级硕士生张芝兰为论文第一作者，刘立明团队高聪副研究员为论文的通讯作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划(2021YFC2100700)，国家自然科学基金(22378164, 32021005)和天津市合成生物技术创新能力提升项目(TSBICIP-KJGG-015)的资助。
近年来刘立明教授领衔的江苏省科技创新团队构建获得了系列塑料单体(乙醇酸、D-乳酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、1,4-丁二醇、1,3-丙二醇、戊二胺)高产菌株，相关菌种已在国内知名企业实现了工业化生产。
