近日，山东大学微生物技术国家重点实验室赵广教授团队在期刊《Nature Communications》上发表题为“Using a synthetic machinery to improve carbon yield with acetylphosphate as the core”的研究论文。

近年来，化学品和材料的微生物合成技术蓬勃发展，然而目前广泛使用的包括大肠杆菌和酵母在内的众多微生物在进行生物转化时存在先天性限制，即在中心代谢过程会造成碳损失。其中，丙酮酸到乙酰辅酶A的反应释放二氧化碳，是碳损失的主要原因之一。这不仅损害碳原子经济性，同时与“碳达峰”、“碳中和”的目标相悖。在微生物中，乙酰辅酶A不仅是中心代谢途径的基本代谢产物，同时是许多高价值物质合成的前体。因此，设计和构建高碳原子经济性的、乙酰辅酶A供应充足的底盘细胞将有利于多种化学品和材料的微生物合成。

图1. 高碳得率大肠杆菌细胞工厂的构建和应用

乙酰磷酸（acetyl-phosphate，AcP）可以在转乙酰酶的催化下反应生成乙酰辅酶A。本研究以乙酰磷酸为核心，通过设计静态路径重构模块和动态代谢流自主分配模块对大肠杆菌中心代谢网络进行重编程，进而构建提高碳得率的合成机械。静态路径重构模块包括设计和优化了大肠杆菌路径最短的人工碳封存途径——基于三功能磷酸转酮酶的二磷酸庚酮糖循环（Sedoheptulose-1,7-bisphosphatase Cycle with Trifunctional PhosphoKetolase，SCTPK），绕过丙酮酸到乙酰辅酶A的碳释放过程，实现葡萄糖至乙酰磷酸的等摩尔转化。此外该途径仅需引入2个外源酶，蛋白表达压力低，兼具原子经济性和蛋白经济性。动态代谢流自主分配模块包括具有不同阈值和动态范围的乙酰磷酸激活和抑制遗传回路。二者模块的整合促进了以乙酰磷酸为核心的合成振荡系统的开发，使得细胞内乙酰磷酸的稳态得以维持，避免了乙酰磷酸积累造成的蛋白质过度乙酰化，同时促使细胞资源在细胞生长和目标化合物合成之间实现动态自主分配。最后将该合成机械应用于多种化学品或材料的合成，其中甲羟戊酸的得率为0.61 g/g葡萄糖，超过其天然理论得率。3-羟基丙酸的产量和得率分别为73.42 g/L和0.51 g/g 葡萄糖，为目前以葡萄糖为底物、通过丙二酰辅酶A途径所报告的最高值。本研究为高碳原子经济性微生物细胞工厂的开发提供了一种有效的策略。

山东大学微生物技术国家重点实验室为论文第一完成单位和通讯作者单位，赵广教授为论文通讯作者，博士研究生郭李坤和副研究员刘敏为论文的共同第一作者。微生物技术国家重点实验室祁庆生教授和中国科学院青岛生物能源与过程研究所咸漠研究员也参与了本研究工作。

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国重室创新群体等项目的资助。

作者：郭李坤，赵广

题图：赵墨涵 

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41135-7