Nat Chem Biol丨周雍进团队构建木质纤维素生物炼制平台高效制备化学品

本文转自：BioArt
木质纤维素来源广泛且可再生，被认为是极具潜力的第二代生物炼制原料。然而，微生物利用纤维素水解液时存在葡萄糖抑制木糖利用现象，严重制约了木质纤维素生物转化效率。因此，实现六碳糖和五碳糖高效同步利用是提高木质纤维素生物炼制效率、降低生产成本的关键技术环节。
多形汉逊酵母具有天然木糖同化能力，目前广泛应用于蛋白质和乙醇等合成。特别是其耐高温特性能够降低同步糖化发酵过程冷却成本与染菌概率，是推动木质纤维素原料工业化应用的有效手段。然而，野生型汉逊酵母木糖利用能力不足，存在葡萄糖阻遏效应，而且其细胞代谢需要进行全局精准调控，以提高目标化学品生物合成效率，从而获得高效木质纤维素生物炼制平台。
2023年8月24日，中国科学院大连化学物理研究所周雍进研究员团队在Nature Chemical Biology上发表文章 Engineering co-utilization of glucose and xylose for chemical overproduction from lignocellulose。在多形汉逊酵母中，通过强化木糖同化与转运过程，在不牺牲葡萄糖利用效率的前提下实现了葡萄糖与木糖同步利用合成脂肪酸，并借助代谢转换策略，实现3-羟基丙酸的高效合成，证明了构建的木质纤维素平台菌株应用于高效化学品合成的巨大潜力。

首先，研究团队基于前期构建的产脂肪酸多形汉逊酵母工程菌株（敲除脂酰辅酶A合成酶基因faa1Δ），通过全局代谢优化提高脂肪酸合成效率。通过敲除过氧化物酶体因子pex10Δ，阻碍过氧化物酶体生物发生过程，从而增加胞质中脂肪酸合成前体乙酰辅酶A供给，并组合表达果糖-1,6-二磷酸酶（FBP1）和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（ZWF1），通过强化糖异生途径增加磷酸戊糖途径代谢通量，从而增加脂肪酸合成辅因子NADPH供给，脂肪酸产量提高了32%。该菌株在限氮条件下，脂肪酸产量提高了92%，达到2.5 g/L，并以葡萄糖进行批式补料发酵时，脂肪酸产量达到30 g/L，生产强度达到0.27 g/L/h（图1）。

图1 高效脂肪酸合成汉逊酵母细胞工厂构建
在此基础上，研究团队通过强化木糖同化与转运效率实现了葡萄糖与木糖同步利用。尽管汉逊酵母能够天然代谢木糖，但其利用效率较低，通过引入异源木糖异构酶（PspXI*）并强化内源木糖代谢限速步骤木酮糖激酶（XYL3），显著提高了细胞木糖代谢能力。但是该菌株仍无法实现葡萄糖与木糖同步利用，进一步引入对木糖亲和力更高的转运蛋白突变体（Hxt1*），在消耗12 g/L葡萄糖的同时利用了4 g/L木糖，实现了二者同步利用。该菌株在葡萄糖与木糖模拟物料条件下，合成了38.2 g/L脂肪酸，而且能够较好地利用真实木质纤维素水解液，合成7.0 g/L脂肪酸，为木质纤维素原料工业化应用奠定了基础。
最终，为了测试构建的工程菌株的应用潜力，研究团队借助代谢转换策略，将脂肪酸合成菌株转化为3-羟基丙酸合成菌株。通过回补基因FAA1并表达3-羟基丙酸合成基因丙酰辅酶A还原酶（MCR），获得的转化菌株，与野生型来源菌株相比，3-羟基丙酸产量提高了44-91%，而且避免了费时费力基因操作。该菌株在以葡萄糖和木糖模拟物料批式补料发酵中，3-羟基丙酸产量达到79.6 g/L，是目前报道的最高产量，为木质纤维素高效生物合成化学品奠定了基础。
该工作通过优化葡萄糖与木糖同步利用过程，为木质纤维素生物炼制提供了全新平台，也为构建多种细胞工厂实现化学品高效合成奠定了理基础。
该工作共同第一作者是中国科学院大连化学物理研究所副研究员高教琪和博士后禹伟，通讯作者为周雍进研究员，南京理工大学金明杰教授参与制备了纤维素水解液。