異丁醇是一種高品質(zhì)的汽油替代燃料，與傳統(tǒng)的乙醇燃料相比有很大優(yōu)勢(shì)：其能量密度高，接近于汽油；親水性低，能與汽油高比例混合；可以使用現(xiàn)有石油管道進(jìn)行運(yùn)輸?shù)。另外，異丁醇還是一種重要的大宗化工產(chǎn)品，主要用于生產(chǎn)潤(rùn)滑油添加劑、表面涂料、粘合劑等復(fù)合溶劑、鄰苯二甲酸酯類增塑劑等，每年全球市場(chǎng)需求有50萬(wàn)噸左右。
近幾年來(lái)，美國(guó)杜邦公司、Gevo公司、UCLA的James Liao教授等對(duì)異丁醇的生物制造進(jìn)行了深入的研究。通過(guò)利用支鏈氨基酸的生物合成途徑和Ehrlich途徑，在大腸桿菌等模式生物中創(chuàng)建了異丁醇的生物合成途徑。然而以前的工作都是使用誘導(dǎo)型啟動(dòng)子，導(dǎo)致生產(chǎn)菌株不穩(wěn)定；另外，由于異丁醇合成途徑需要使用NADPH作為還原力，而細(xì)胞在糖酵解過(guò)程中產(chǎn)生的還原力是NADH形式，這就存在還原力的供給類型與需求類型之間的不平衡問(wèn)題，從而影響了異丁醇的最終產(chǎn)率。
中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所張學(xué)禮研究員課題組在構(gòu)建大腸桿菌細(xì)胞工廠生產(chǎn)異丁醇方面進(jìn)行了深入的研究；诮M成型表達(dá)的人工調(diào)控元件，通過(guò)無(wú)痕基因表達(dá)調(diào)控技術(shù)，對(duì)異丁醇合成途徑進(jìn)行了精確調(diào)控，構(gòu)建出組成型穩(wěn)定生產(chǎn)異丁醇的工程菌。在此基礎(chǔ)上，使用人工調(diào)控元件對(duì)轉(zhuǎn)氫酶基因pntAB和NAD激酶基因yfjB的表達(dá)進(jìn)行組合調(diào)控，實(shí)現(xiàn)NADH到NADPH的高效轉(zhuǎn)化。厭氧條件下，異丁醇產(chǎn)量提高了80%，產(chǎn)率提高了39%，達(dá)到0.92 mol/mol，接近理論最大值。好氧條件下，異丁醇產(chǎn)量提高了28%，產(chǎn)率提高了22%；發(fā)酵24小時(shí)可以生產(chǎn)10.8 g/l異丁醇，產(chǎn)率為0.62 mol/mol。本研究表明轉(zhuǎn)氫酶和NAD激酶在提高NADPH供給方面存在協(xié)同效應(yīng)。這種提高NADPH供給的策略對(duì)于需要NADPH為輔因子的產(chǎn)品合成具有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。相關(guān)研究已經(jīng)在線發(fā)表在Metabolic Engineering雜志上。
天津工生所的博士研究生石愛琴為論文的第一作者。
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