3-羥基丙酸，作為美國能源部公布的12種高附加值生物基平臺化學品之一，結構的特殊性使其成為合成多種化合物的前體物質，利用廉價的生物質原料進行微生物合成3-羥基丙酸是代謝工程領域熱門研究方向之一。中國科學院青島生物能源與過程研究所大宗化學品團隊近日在低成本高效生物合成3-羥基丙酸的關鍵技術上取得了突破。
來源于嗜熱自養型古細菌Chloroflexus aurantiacus的雙功能酶——丙二酸單酰輔酶A還原酶（MCR）是3-羥基丙酸合成新途徑中的關鍵酶，自身具有醛脫氫酶和醇脫氫酶的功能，催化兩步反應，將脂肪酸合成的前體物質丙二酸單酰輔酶A 經中間體丙二酸半醛轉化為3-羥基丙酸。科研人員通過對該蛋白序列的分析，將MCR蛋白成功拆分為MCR-C和MCR-N兩部分，每個部分可獨立催化一步反應。更為重要的是，拆分后的蛋白對底物丙二酸單酰輔酶A有著更高的親和力，酶活力遠高于野生型MCR，同時3-羥基丙酸產量也得到了一定提高。以往的代謝工程中，將催化相鄰反應的酶構建融合蛋白來提高催化效率是一種常用方法，而該研究提出了拆分多功能域蛋白以提高催化能力和產品產量的新思路，對更好地利用功能蛋白尤其是多功能酶類具有普遍的參考價值。
將MCR拆分為兩個片段后，研究人員發現細胞內MCR-C和MCR-N的催化能力嚴重失衡，是影響3-羥基丙酸產量的重要因素。為解決該問題，通過定向進化將MCR-C蛋白的催化效率提升15倍，通過對兩個片段表達水平的精確調控實現了MCR-C和MCR-N的功能平衡，3-羥基丙酸的產量得到數百倍的增長。結合發酵條件的優化，以葡萄糖為唯一碳源時工程大腸桿菌的3-羥基丙酸產量由0.1 g/L提升到40.6 g/L，從根本上解決了該途徑3-羥基丙酸產量過低的問題。該成果近日在生物技術期刊Metabolic Engineering上在線發表。
上述工作得到中科院、山東省自然科學基金重點項目等支持。
3-羥基丙酸的合成路線及MCR-C蛋白的實驗室進化過程
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