锐谈 | Metab. Eng：代谢流调控和生物传感器筛选高产L-精氨酸大肠杆菌

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发布时间：2023-04-26 10:30
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L-精氨酸是唯一具有胍基侧链的蛋白质氨基酸，在医药和营养品工业中具有高价值的商业应用前景。但由于复杂的细胞内相互作用和对整体代谢调控的认识不足，工程菌株的生产潜力尚未得到充分开发。

Metabolic Engineering 近日发表了题为”Metabolic reprogramming and biosensor-assisted mutagenesis screening for high-level production of L-arginine in Escherichia coli“的研究论文，报道了通过代谢工程策略以及生物传感器辅助的高通量筛选获得高产L-精氨酸的大肠杆菌细胞工厂。最佳工程菌株在5L生物反应器中可生产132 g/L的L-精氨酸，得率为0.51 g/g葡萄糖，生产率为2.75 g/(L⋅h)，其效价、得率和产率均为当前最高。

该研究首先进行了L-精氨酸生物合成途径的重新编程，过表达与L-精氨酸合成相关基因，增加氨甲酰磷酸表达水平和NADPH供给。之后利用生长期依赖型启动子（GPP），调控sucA基因的表达，使得在指数生长期时有足够的碳通量流向TCA循环，以维持细胞生长。而在稳定期切换到低表达模式，从而引导更多的碳通量生成L-精氨酸。最后将两个表达L-精氨酸转运蛋白lysE和argO基因整合到最高产菌株上，获得高产菌株。

随后文章基于argP基因表达产生转录因子ArgP，与启动子PargO结合，抑制相关基因的表达，而L-精氨酸存在时与转录因子ArgP结合，激活启动子PargO控制的相关基因表达的原理，设计了一个质粒pABIO1作为生物传感器，以绿色荧光的强弱来反映L-精氨酸的浓度。并以此为基础，将GFP基因替换为抗卡那霉素的基因，由此得到一个筛选平台，利用诱变的方法挖掘有益的靶基因，成功构建了高效的L-精氨酸生产菌株。

本文亮点在于通过对代谢途径的动态平衡与重构，实现目标产物的高效生产。鉴于微生物自身的代谢流量在不同代谢途径中的动态分配，本文在强化精氨酸合成支路途径的基础上，动态调整代谢流在中心代谢途径和精氨酸合成支路途径的分配。

其次设计了生物传感器辅助的高通量筛选平台，利用该平台从突变文库中快速筛选出高产精氨酸突变株，挖掘突变菌株高产机理，进一步开发L-精氨酸的生产潜力。