陳園 趙淑娟

摘要：莽草酸是莽草酸代謝途徑的中間產(chǎn)物，是合成手型藥物的關(guān)鍵原料，也是合成芳香族類(lèi)氨基酸（L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、L-色氨酸）、泛醌、葉酸、維生素K2等芳香族化合物的關(guān)鍵中間體。通過(guò)基因改造微生物莽草酸代謝途徑，可以使其大量積累莽草酸，進(jìn)而為生物體內(nèi)合成芳香族氨基酸奠定基礎(chǔ)。本文綜述了莽草酸代謝途徑在重組大腸桿菌中的生物合成途徑的研究進(jìn)展，分析了莽草酸合成過(guò)程中關(guān)鍵酶基因改造對(duì)莽草酸積累的影響、輔因子再生對(duì)目的產(chǎn)物的影響，還討論了減少莽草酸工程菌代謝副產(chǎn)物產(chǎn)生量的措施。隨著代謝工程技術(shù)和合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)基因技術(shù)定向改造代謝途徑，構(gòu)建理想的高產(chǎn)菌株已經(jīng)成為研究的新熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：莽草酸代謝途徑;基因改造;關(guān)鍵酶基因;輔因子

中圖分類(lèi)號(hào)： Q945.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）07-0019-05

莽草酸及其衍生物具有抗病毒、抗腫瘤、抗菌抗炎、抗血栓及抗腦缺血等多種藥理活性。近年來(lái)，莽草酸作為臨床上對(duì)抗禽流感的唯一有效藥物達(dá)菲（主要成分為磷酸奧司他韋）的合成前體而倍受關(guān)注[1]。莽草酸途徑廣泛存在于植物、細(xì)菌等微生物中[2-5]。目前，莽草酸的工業(yè)化生產(chǎn)方式主要有2種：（1）從八角茴香的果實(shí)中提取[6];（2）通過(guò)化學(xué)合成的方式人工合成莽草酸[7]。從八角茴香中提取莽草酸，由于受到植物生長(zhǎng)季節(jié)、生長(zhǎng)周期、地域環(huán)境的限制，從而嚴(yán)重制約了莽草酸的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn);化學(xué)合成法由于生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、純度不高等因素，也嚴(yán)重限制了莽草酸的規(guī)模化生產(chǎn)。利用微生物工程菌合成莽草酸，在生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)工藝與生產(chǎn)周期等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此成為國(guó)內(nèi)外很多醫(yī)藥公司與實(shí)驗(yàn)室研究的熱點(diǎn)。目前已報(bào)道的莽草酸基因工程菌主要有大腸桿菌（Escherichia coli）[8]、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）[9]、谷氨酸棒狀桿菌（Corynebacterium glutamicum）[10-11]、弗氏檸檬酸桿菌（Citrobacter freundii）[12-15]以及巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）[16]等。

1 微生物生產(chǎn)莽草酸的研究進(jìn)展

目前，利用微生物生物轉(zhuǎn)化合成莽草酸的研究進(jìn)展迅速，相關(guān)報(bào)道顯示，目前工程菌株產(chǎn)莽草酸的最高產(chǎn)量達(dá)到 84 g/L。近幾年來(lái)研究者構(gòu)建的莽草酸工程菌株及其功能、產(chǎn)量等信息見(jiàn)表1。

2 莽草酸途徑概述

莽草酸途徑（shikimic acid pathway）是以磷酸烯醇式丙酮酸、赤蘚糖-4-磷酸為起始底物，在生物體內(nèi)經(jīng)過(guò)一系列催化酶的催化作用生成莽草酸，然后再以莽草酸為中間化合物合成一系列芳香族類(lèi)化合物，如酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸等的過(guò)程。生物細(xì)胞以葡萄糖為初始底物，在經(jīng)過(guò)糖酵解途徑合成磷酸烯醇式丙酮酸的同時(shí)，通過(guò)戊糖磷酸途徑合成赤蘚糖-4-磷酸。生物體內(nèi)的莽草酸途徑以磷酸烯醇式丙酮酸與赤蘚 糖-4-磷酸為起始化合物，在3-脫氧-阿拉伯庚酮糖-7- 磷酸（3-deoxy-D-arabinoheptulosonate-7-phosphate，簡(jiǎn)稱(chēng)DAHP）合成酶的作用下縮合形成3-脫氧-阿拉伯庚酮糖-7-磷酸。DAHP經(jīng)過(guò)3-脫氫奎尼酸（3-dehydroquinic acid，簡(jiǎn)稱(chēng)DHQ）合酶的催化作用生成3-脫氫奎尼酸，DHQ在3-脫氫奎尼酸脫水酶的作用下生成3-脫氫莽草酸（3-dehydroshikimic acid，簡(jiǎn)稱(chēng)DHS）。DHS在莽草酸脫氫酶的作用下生成莽草酸（shikimic acid，簡(jiǎn)稱(chēng)SA）。莽草酸經(jīng)莽草酸激酶催化生成莽草酸-3-磷酸（shikimate-3-phosphate，簡(jiǎn)稱(chēng)S3P）。隨后，在一系列酶的催化下，經(jīng)過(guò)分支酸（chorismic acid，簡(jiǎn)稱(chēng)CHA）分別轉(zhuǎn)化為芳香族氨基酸苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸[24]。微生物細(xì)胞內(nèi)的莽草酸代謝途徑如圖1所示[25]。

3 關(guān)鍵酶基因的過(guò)表達(dá)

通過(guò)質(zhì)粒強(qiáng)化表達(dá)莽草酸代謝途徑的限速酶基因，可以增強(qiáng)莽草酸代謝途徑中的碳代謝流[17]。大腸桿菌莽草酸代謝途徑中的3-脫氧-D-阿拉伯庚酮糖-7-磷酸（3-deoxy-D-arabino-heptulosonate-7-phosphate，簡(jiǎn)稱(chēng)DAHP）合酶（aroG、aroF、aroH為DAHP的3個(gè)同功異構(gòu)酶）、3-脫氫奎尼酸合成酶（aroB）和莽草酸脫氫酶（aroE）是莽草酸代謝途徑中的關(guān)鍵酶。DAHP合酶是由aroG、aroF和aroH基因編碼的同工酶，分別受到芳香族類(lèi)氨基酸L-苯丙氨酸、L-酪氨酸和L-色氨酸的反饋抑制。通過(guò)定點(diǎn)突變、隨機(jī)誘變與突變株篩選等方法可以獲取抗反饋抑制的3-脫氧-D-阿拉伯庚酮糖-7-磷酸合酶。為了解除終產(chǎn)物酪氨酸對(duì)aroG基因的反饋抑制，需要將其第146位氨基酸殘基天冬氨酸替換為天冬酰胺，能夠解除酪氨酸對(duì)aroG基因的反饋抑制，用亮氨酸殘基替換DAHP合酶同工酶aroF的第148位氨基酸殘基脯氨酸時(shí)，得到的突變菌株不受終產(chǎn)物苯丙氨酸的反饋抑制。因此，可以通過(guò)質(zhì)粒表達(dá)或基因重組等方式過(guò)表達(dá)對(duì)酪氨酸反饋抑制不敏感的aroGfbr基因與對(duì)苯丙氨酸不敏感的aroFfbr基因，提高莽草酸代謝途徑的碳代謝流。Draths等在莽草酸激酶完全缺失的大腸桿菌體內(nèi)過(guò)表達(dá)aroFfbr基因，同時(shí)通過(guò)質(zhì)粒過(guò)表達(dá)3-脫氫奎尼酸合成酶與莽草酸合成酶基因補(bǔ)料分批發(fā)酵培養(yǎng)42 h，使得莽草酸的產(chǎn)量達(dá)到27.2 g/L[26]。將這3個(gè)關(guān)鍵酶基因通過(guò)多個(gè)質(zhì)?；蛘?個(gè)共表達(dá)載體進(jìn)行過(guò)表達(dá)，已經(jīng)成為一套成熟的莽草酸工程菌改造策略。編碼3-脫氫奎尼酸合成酶的基因aroB與抗反饋抑制的3-脫氧-D-阿拉伯庚酮糖-7-磷酸合成酶基因共表達(dá)，可以增強(qiáng)3-脫氫奎尼酸合成酶的活性，減少DAHP的過(guò)度積累，增強(qiáng)莽草酸代謝途徑的碳代謝流。

4 中心代謝途徑的改造

在微生物體內(nèi)，葡萄糖經(jīng)過(guò)糖酵解途徑合成磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和赤蘚糖-4-磷酸（E4P），PEP與E4P構(gòu)成莽草酸代謝途徑的起始物。因此，通過(guò)對(duì)中心代謝途徑進(jìn)行遺傳改造，加強(qiáng)前體PEP與E4P的供應(yīng)量，可以強(qiáng)化莽草酸代謝途徑的碳流量。在非磷酸烯醇式丙酮酸：碳水化合物磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)PTS系統(tǒng)）的半乳糖透性酶（GalP）、半乳糖激酶（Galk）協(xié)同作用途徑中以腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）作為磷酸基團(tuán)供體，不消耗PEP[8]。有研究表明，在 PTS+ 與PTS-Glc+中進(jìn)入EMP和PPP途徑的碳代謝流分別為766%、223%和93.1%、5.3%，表明PTS-galP+glk+ 能夠促進(jìn)EMP（糖酵解途徑）中PEP的合成，提高莽草酸代謝途徑中的碳流量。PTS系統(tǒng)中的EIIAGlc擁有碳代謝阻遏效應(yīng)（carbon catabolic repression，簡(jiǎn)稱(chēng)CCR）的活性中心，可以阻遏細(xì)胞對(duì)葡萄糖以外其他碳源的利用分解，PTS-系統(tǒng)能夠遏制CCR，使細(xì)胞能夠充分利用多種碳源，強(qiáng)化莽草酸代謝途徑的碳流量。

在細(xì)菌內(nèi)，葡萄糖也可通過(guò)半乳糖透性酶介導(dǎo)的活性轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)，同時(shí)需要葡萄糖激酶蛋白Glk（由glk編碼）對(duì)細(xì)胞內(nèi)的葡萄糖進(jìn)行磷酸化。因此，可以在PTS轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)缺陷型菌株內(nèi)加強(qiáng)表達(dá)GalP、Glk蛋白，以實(shí)現(xiàn)葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)功能。Yi等在PTS轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)缺失的大腸桿菌體內(nèi)通過(guò)質(zhì)粒表達(dá)來(lái)自運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌（Zymomonas mobilis）的葡萄糖易化體蛋白（glucose facilitator，簡(jiǎn)稱(chēng)Glf），結(jié)果顯示，表達(dá)Glk、Glf的PTS缺陷型菌株經(jīng)過(guò)48 h發(fā)酵培養(yǎng)，3-脫氫莽草酸的產(chǎn)量為60 g/L，與此同時(shí)，表達(dá)GalP、Glk的PTS缺陷型菌株經(jīng)過(guò)60 h發(fā)酵培養(yǎng)，3-脫氫莽草酸的產(chǎn)量也為60 g/L，說(shuō)明Glf系統(tǒng)也是一種比較有效的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)[27]。Chandran等在PTS轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)缺陷型宿主菌體內(nèi)通過(guò)質(zhì)粒表達(dá)來(lái)自Zymomonas mobilis的葡萄糖易化體蛋白Glf與葡萄糖激酶蛋白Glk，同時(shí)解除DAHP合成酶的反饋抑制調(diào)節(jié)，過(guò)表達(dá)關(guān)鍵酶基因磷酸烯醇式丙酮酸合成酶基因（phosphoenolpyruvate synthase，簡(jiǎn)稱(chēng)ppsA），結(jié)果顯示，在添加10 L酵母提取物的發(fā)酵罐中，莽草酸的產(chǎn)量達(dá)到了87 g/L，莽草酸的得率為33%[21]。

4.1 PTS系統(tǒng)的改造

磷酸烯醇式丙酮酸磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)是大腸桿菌在細(xì)胞內(nèi)參與葡萄糖從膜間質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和磷酸化到細(xì)胞內(nèi)的主要活性轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。在以葡萄糖為碳源的培養(yǎng)基內(nèi)，PTS系統(tǒng)消耗了大約50%的磷酸烯醇式丙酮酸，而磷酸烯醇式丙酮酸是莽草酸代謝途徑的起始物質(zhì)，因此，合理改造PTS系統(tǒng)有利于提高莽草酸代謝途徑前體PEP的利用率，從而提高莽草酸代謝途徑的碳流量。Chandran等將運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌來(lái)源的、以ATP作為磷酸基團(tuán)供體的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)以質(zhì)粒方式轉(zhuǎn)化到PTS系統(tǒng)缺失的大腸桿菌內(nèi)，同時(shí)過(guò)表達(dá)tktA基因以補(bǔ)料分批發(fā)酵培養(yǎng)，結(jié)果表明，莽草酸的產(chǎn)率達(dá)到 0.33 mol/mol（以單位量的葡萄糖產(chǎn)莽草酸的量計(jì)，下同），產(chǎn)量為84 g/L;同時(shí)，對(duì)于未進(jìn)行PTS改造的菌株，同樣采用補(bǔ)料分批發(fā)酵培養(yǎng)的莽草酸的積累量為62 g/L[21]。

4.2 增加莽草酸途徑起始底物E4P的濃度

大量研究表明，過(guò)量表達(dá)DAHP合成酶并不能無(wú)限制地提高莽草酸代謝途徑中的碳代謝流，必須同時(shí)加強(qiáng)表達(dá)tktA基因編碼的轉(zhuǎn)酮醇酶A，以增加磷酸戊糖途徑中赤蘚糖-4-磷酸的供應(yīng)量，進(jìn)而增加莽草酸代謝途徑中的碳代謝流。Knop等在大腸桿菌體內(nèi)過(guò)表達(dá)tktA基因后，莽草酸產(chǎn)量由 38 g/L 提高到52 g/L，莽草酸的產(chǎn)率由0.12 mol/mol上升到0.18 mol/mol[6]。有研究者在aroL、aroK雙基因敲除菌株W3110（ΔaroLΔaroK）中轉(zhuǎn)入含有莽草酸代謝途徑中關(guān)鍵基因aroF、aroE、aroB、ppsA以及tktA基因的重組表達(dá)質(zhì)粒pSUFEBPT，用補(bǔ)料分批發(fā)酵的方式發(fā)酵培養(yǎng)128 h，結(jié)果顯示，莽草酸的產(chǎn)量達(dá)到39.3 g/L。

5 降低副產(chǎn)物的產(chǎn)量

莽草酸代謝途徑中存在多步分支途徑與可逆反應(yīng)，代謝過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物奎尼酸（quinic acid，簡(jiǎn)稱(chēng)QA）和3-脫氫莽草酸對(duì)于細(xì)胞的生長(zhǎng)有強(qiáng)烈的抑制作用，同時(shí)能夠競(jìng)爭(zhēng)性消耗碳源，從而嚴(yán)重降低莽草酸的產(chǎn)率與純度。Knop等構(gòu)建的大腸桿菌菌株SP1.1/pKD12.112發(fā)酵42 h，能夠產(chǎn)生27.2 g/L莽草酸，但是副產(chǎn)物奎尼酸、3-脫氫莽草酸的產(chǎn)量分別有12.6、4.4 g/L，副產(chǎn)物的積累減少了莽草酸的含量與純度，從而影響下游代謝反應(yīng)[6]。YdiB是一種雙功能酶，具有脫氫奎尼酸脫氫酶（aroD基因產(chǎn)物）和莽草酸脫氫酶（aroE基因產(chǎn)物）的雙重功能，ydiB基因缺失后，奎尼酸合成受到限制，3-脫氫奎尼酸能夠積累并且在脫氫奎尼酸脫水酶的催化下經(jīng)過(guò)3-脫氫莽草酸合成莽草酸。Chen等在ydiB基因完全缺失的大腸桿菌SA4中過(guò)量表達(dá)莽草酸脫氫酶基因，以減少代謝流中3-脫氫奎尼酸向奎尼酸的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)3-脫氫莽草酸的積累，進(jìn)而促進(jìn)莽草酸的生物合成[20]。有研究者將 1 mmol/L 甲基-α-D-葡萄糖吡喃糖苷加到葡萄糖限制性培養(yǎng)基中作為碳源，經(jīng)過(guò)48 h的發(fā)酵培養(yǎng)，副產(chǎn)物奎尼酸的產(chǎn)量由 19 g/L 減少到2.8 g/L，目的產(chǎn)物莽草酸的產(chǎn)量從原來(lái)的 28 g/L 升高到35 g/L，莽草酸的產(chǎn)率由15%上升至19%。該研究表明，以1 mmol/L甲基-α-D-葡萄糖吡喃糖苷作為碳源可以明顯提高莽草酸的合成量，同時(shí)減少副產(chǎn)物奎尼酸的產(chǎn)生[6]。在煙草中，存在同時(shí)具有3-脫氫奎尼酸脫水酶（aroD）和莽草酸脫氫酶（aroE）催化活性的雙功能酶，由aroD*E基因編碼。將煙草來(lái)源的aroD*E基因?qū)隺roD、aroE基因同時(shí)被敲除的重組菌中，經(jīng)過(guò)66 h的發(fā)酵培養(yǎng)，莽草酸的產(chǎn)量達(dá)到34 g/L，產(chǎn)率達(dá)到15%。發(fā)酵液中莽草酸、奎尼酸、3-脫氫莽草酸的物質(zhì)的量的比為 29 ∶ 1.0 ∶ 5.7，可見(jiàn)副產(chǎn)物奎尼酸的產(chǎn)量明顯減少。

6 輔因子煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）的表達(dá)

輔因子是一類(lèi)能夠使底物與酶活性部位結(jié)合或者使酶更具有活性的金屬離子或輔酶。有些氧化還原酶催化的反應(yīng)是需要以還原態(tài)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）、NADPH為輔酶的，氧化還原力的不平衡，不僅會(huì)影響細(xì)胞的連續(xù)生長(zhǎng)、目的產(chǎn)物的合成，還會(huì)導(dǎo)致代謝碳流從需要生成的目的產(chǎn)物的代謝途徑流轉(zhuǎn)向其他途徑而產(chǎn)生副產(chǎn)物。因此，控制輔因子的生物合成供應(yīng)對(duì)于進(jìn)一步提高目的產(chǎn)物產(chǎn)量非常重要[28-29]。研究表明，維持NADPH的可用濃度可以提高代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量。Kabus等在谷氨酸棒狀桿菌體內(nèi)過(guò)表達(dá)來(lái)自大腸桿菌的轉(zhuǎn)氫酶基因pntAB發(fā)現(xiàn)，在以葡萄糖為碳源的基本培養(yǎng)基中經(jīng)過(guò)72 h的發(fā)酵培養(yǎng)，賴(lài)氨酸的濃度從474 mmol/L升高到了522 mmol/L[30]。在莽草酸代謝途徑中，莽草酸脫氫酶需要NADPH輔因子的作用才能催化 3- 脫氫莽草酸轉(zhuǎn)化為莽草酸。目前，多數(shù)莽草酸工程菌的構(gòu)建都會(huì)過(guò)表達(dá)關(guān)鍵酶基因aroE，這樣就會(huì)出現(xiàn)NADPH的還原力供應(yīng)不足。在大腸桿菌體內(nèi)，轉(zhuǎn)氫酶（membrane-bound transhydrogenase，簡(jiǎn)稱(chēng)PntAB）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）激酶（NAD kinase，簡(jiǎn)稱(chēng)NADK）可以催化NADH與NADPH之間相互轉(zhuǎn)化，因此可以強(qiáng)化基因pntAB、nadK的表達(dá)，緩解還原力不平衡的問(wèn)題。Cui等對(duì)NADPH對(duì)莽草酸途徑中莽草酸產(chǎn)量的影響進(jìn)行研究，他們將pntAB、nadK基因分別整合到大腸桿菌染色體中，以增加細(xì)胞內(nèi)NADPH的供應(yīng)量，搖瓶培養(yǎng)結(jié)果顯示，整合nadK基因后的重組菌SA116產(chǎn)率達(dá)到33%，產(chǎn)量為3.12 g/L[31]。對(duì)于戊糖磷酸途徑，可以過(guò)表達(dá)戊糖磷酸途徑中的NADPH代謝關(guān)鍵酶，例如葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（glucose-6-phosphate-1-dehydrogenase，由zwf基因編碼）和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶（6-phosphogluconate dehydrogenase，由gnd基因編碼）。Rodriguez等敲除大腸桿菌的PTS系統(tǒng)和pykF基因，同時(shí)過(guò)表達(dá)aroGfrb、aroE、aroB、aroD、tktA和zwf基因，分批發(fā)酵結(jié)果顯示，重組工程菌AR36產(chǎn)生莽草酸的終濃度為43.4 g/L，產(chǎn)率為42%[23]，這是目前研究莽草酸工程菌株中獲得的最高產(chǎn)率。

7 引導(dǎo)代謝平衡的模塊優(yōu)化策略

莽草酸途徑是一個(gè)較為復(fù)雜的代謝途徑，有研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)過(guò)量表達(dá)上游代謝途徑關(guān)鍵酶基因而使上游代謝碳流急劇增加時(shí)，由于下游代謝途徑無(wú)法正常消耗強(qiáng)大的上游碳代謝流，會(huì)造成中間產(chǎn)物的過(guò)量積累，過(guò)量存在的中間產(chǎn)物會(huì)對(duì)細(xì)胞內(nèi)的代謝途徑產(chǎn)生反饋抑制，或者產(chǎn)生細(xì)胞生長(zhǎng)不需要的副產(chǎn)物，從而影響菌體的正常生長(zhǎng)。因此，Wu等引入了模塊化代謝工程改造理論，系統(tǒng)改造各個(gè)模塊的碳代謝流量，以期找到一條最優(yōu)的途徑平衡方式，使代謝流更多地從可再生的廉價(jià)底物流向高附加值的目的化合物;Wu等引入模塊化代謝工程改造理論優(yōu)化黃酮骨架物質(zhì)的合成途徑，首先將總途徑分為4個(gè)模塊，通過(guò)系統(tǒng)改變各個(gè)模塊的代謝通量來(lái)尋找途徑中的瓶頸步驟，通過(guò)4個(gè)不同拷貝數(shù)的質(zhì)粒和2個(gè)不同強(qiáng)度的啟動(dòng)子來(lái)改變模塊的代謝通量以平衡合成途徑，經(jīng)過(guò)多輪模塊優(yōu)化后，生松素、柚皮素的產(chǎn)量分別提高至84.2、105.1 mg/L[32]。Zhang等在C. glutamicum中引入來(lái)源于古細(xì)菌Mcc. maripaludis和Msc. mazei的DKFP（6-deoxy-5-ketofructose 1-phosphate，即6-脫氧-5-酮果糖1-磷酸）途徑基因，以1個(gè)丙酮酸合酶基因、2個(gè)DKFP合酶基因、2個(gè)ADTH合酶基因、1個(gè)DHQ合酶基因?yàn)樵?，通過(guò)不同組合方式組裝了3組模塊，結(jié)果表明，同時(shí)表達(dá)異源莽草酸代謝途徑與自身莽草酸代謝途徑的重組谷氨酸棒狀桿菌RES167ΔaroK/pDKFP-3比沒(méi)有導(dǎo)入異源代謝途徑的原始菌株RES167ΔaroK的莽草酸產(chǎn)量提高了57%，莽草酸產(chǎn)量從0.77 g/L提高到了1.20 g/L[11]。研究者從合成生物學(xué)的角度出發(fā)，通過(guò)一系列代謝途徑優(yōu)化、基因元件篩選與模塊組合，完成了對(duì)莽草酸代謝途徑的異源裝配，進(jìn)一步對(duì)莽草酸代謝途徑模塊優(yōu)化策略實(shí)施了驗(yàn)證。

8 總結(jié)與展望

通過(guò)對(duì)莽草酸代謝途徑的改造，包括解除莽草酸代謝途徑中的反饋抑制、過(guò)表達(dá)莽草酸代謝途徑中的關(guān)鍵酶基因、代謝途徑中NADPH輔因子再生等，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)遺傳改造的基因工程菌株合成莽草酸的產(chǎn)量有明顯提升。莽草酸是合成芳香族類(lèi)氨基酸（L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、L-色氨酸）的重要前體化合物，同時(shí)因其自身的藥用價(jià)值，具有廣闊的市場(chǎng)前景與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。以葡萄糖為起始合成原料，通過(guò)基因改造工程菌生產(chǎn)莽草酸的方法，具有發(fā)酵周期短、可控性強(qiáng)、可持續(xù)性發(fā)展且對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)，非常具有發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用價(jià)值。盡管基因改造的工程菌較野生型的莽草酸發(fā)酵產(chǎn)量有所提高，但是仍然存在進(jìn)一步提高的空間。今后的研究可以從以下幾個(gè)方面考慮：（1）通過(guò)定點(diǎn)突變解除DAHP合酶的反饋抑制后，可以通過(guò)多級(jí)質(zhì)譜或者核磁共振技術(shù)分析細(xì)胞全局的代謝流，從而找出細(xì)胞內(nèi)可能存在的其他限制性步驟。（2）通過(guò)基因過(guò)表達(dá)的方式提高了輔因子NADPH的供應(yīng)量，進(jìn)一步可以研究如何提高莽草酸代謝途徑中所需要的其他輔因子，例如ATP和丙二酰輔酶A等。（3）研究表明，以葡萄糖為碳源進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)，菌株生長(zhǎng)較慢，但是莽草酸生產(chǎn)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng);以甘油為碳源時(shí)，菌株生長(zhǎng)較快，但是莽草酸合成過(guò)早停止，因此可以嘗試葡萄糖結(jié)構(gòu)類(lèi)似物或者甘油結(jié)構(gòu)類(lèi)似物，觀察發(fā)酵結(jié)果是否能達(dá)到生產(chǎn)速率與持續(xù)生產(chǎn)時(shí)間的正相關(guān)。（4）可以考慮構(gòu)建多種功能的菌株進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)發(fā)酵，例如構(gòu)建特異性消耗副產(chǎn)物的菌株，與莽草酸菌株一起培養(yǎng)，以改善莽草酸生產(chǎn)菌株的生長(zhǎng)環(huán)境，提高莽草酸的產(chǎn)量。

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