我國通過點線結合方式提高萜類化合物合成甲羥戊酸效率

　　萜烯化合物包括大宗化學品異戊二烯和高能量密度燃料蒎烯等，在材料、能源和醫藥等領域具有極高的應用價值。以可再生糖為原料，利用綠色可持續的微生物代謝工程合成萜類物質是當前生物化工領域的研究重點。其中微生物可利用的外源甲羥戊酸（MVA）途徑具有高效性和較好可調控性，是當前研究的熱點。MVA途徑從前體乙酰輔酶A到二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）的合成路線涉及7步反應和7個酶，如何突破限制該途徑效率的點并平衡協調這7個酶的合成路線，進而提升代謝效率、平衡代謝流，同時防止中間產物對宿主細胞的毒性，是該途徑的突破點和難題。

圖1 代謝限制性位點MK的定向進化策略和效果圖

　　中國科學院青島生物能源與過程研究所生物基材料組群研究員張海波帶領的精細化學品研究組長期致力于萜烯化合物的生物合成，重點針對MVA途徑的酶甲羥戊酸激酶（MK）、異戊烯焦磷酸異構酶（IDI）和萜烯合成酶等幾個限制性點，同時統籌代謝流和中間產物毒性，平衡整條合成路線，在點線結合提升萜類化合物合成的MVA途徑的效率上取得新突破。首先，針對MVA途徑中的MK和IDI，通過不同物種來源篩選、隨機突變和半理性設計進行定向進化和優化，獲得酶活性提高的MK（RSC Advances，2018）和IDI(Microbial Cell Factories，2018)，從而減弱代謝流在MK和IDI位點的阻滯，最終提高萜烯化合物的產量其次，統籌MVA途徑涉及到的多步反應，對酶表達量的調控涉及的多個水平。該研究選取翻譯水平上的調控方法，避免了RNA的不穩定和翻譯后水平調控的菌體代謝負擔問題，通過調整不同酶的核糖體結合位點（RBS）序列的手段，調控不同酶的表達，平衡整條代謝路線。對非限制酶羥甲基戊二酰輔酶A還原酶基因（MvaE）和甲羥戊酸焦磷酸脫羧酶基因（ERG19），調節其RBS序列，使其翻譯起始效率（T.I.R.）降低，降低其蛋白表達量。對限制性酶MK和IDI，調節其RBS序列，使其T.I.R.提高，提高其蛋白表達量。通過對甲羥戊酸途徑中的不同的酶的蛋白表達量的調控，實現了代謝流的平衡，最終提高了萜烯化合物的產量

　　上述研究獲得了中科院青年創新促進會、國家自然科學基金、“泰山學者”攀登計劃等的資助。

圖2 非限制酶和限制酶RBS序列優化策略