Nat. Commun.∣蛋白质工程和迭代多模块优化，E. coli高效生产维生素B6

“Nature Communications∣蛋白质工程和迭代多模块优化，E. coli高效生产维生素B6

文献信息：         

Linxia Liu, Jinlong Li, Yuanming Gai, Zhizhong Tian, Yanyan Wang, Tenghe Wang, Pi Liu, Qianqian Yuan, Hongwu Ma, Sang Yup Lee, & Dawei Zhang..

https://doi.org/10.1038/s41467-023-40928-0

Nature Communications 影响因子：17.694

背景介绍

维生素B6是一种必需的营养物质，在医药、食品、动物饲料和化妆品行业都有广泛的应用。吡哆醇（PN）是维生素b6最常见的存在形式，目前目前通常使用昂贵和有毒的化学物质进行化学合成。天然酶的低催化效率和对代谢途径的严格调控阻碍了微生物生产PN。

在这里，作者报道了一种用于生产PN的工程大肠杆菌菌株。通过途径工程再造解耦了PN的产生和细胞的生长。此外，通过合理的工程设计，对酶PdxA、PdxJ和初始酶Epd和Dxs进行了改造。

通过迭代多模块优化策略，通过补料分批发酵，最终菌株产生1.4 g/L的PN，产率达到29.16 mg/L/h。本文所报告的策略将有助于开发用于生产维生素和其他具有固有的低代谢通量的生物产品的微生物菌株。

图文解读

图1 大肠杆菌中与PN生物合成相关的主要代谢途径，用于过量生产PN的代谢工程方法，以及从甘油到PNP的碳通量

图2维生素B6从头生物合成途径的平行代谢途径工程改造

（a）并行路径工程的策略示意图。

（b）表达或不表达pdxST的ΔpdxH突变体菌株

（c）野生型（WT）和LL005的PN产量、OD₆₀₀和归一化的PN/OD₆₀₀值。

（a）野生型菌株和含有pdxA变体的菌株的PN产量和生长情况（OD₆₀₀）。

（b）基于分子动力学（MD）分析，比较了4HTP在WT和H136N中的结合构象。

（c）距离亚胺中间体P30（青色棒）在6A半径内的残留物（黄色棒）。

（d）4轮PdxJ突变体的PN滴度，共包括212个突变体：26个单突变体（第1轮）、62个双突变体（第2轮）、60个三倍突变体（第3轮）和64个四倍突变体（第4轮）。

（e）LL239中突变位点（E104T/G194C/I218L）的分布。

（f-k）f和g、h和i、j和k分别为引入E104T、G194C、I218L突变前后的差异。

（a）epd基因与大肠杆菌输入序列之间的进化差异。

（b）表达不同菌源epd的LL239菌株的PN产量。

（c）Eco_Epd（左图）和Gni_Epd（右图）中E4P和NAD⁺的结合模式。

（d）表达不同菌源dxs的LL239菌株的PN产量。

（a）在24个深孔板中添加或不添加α-KG的LL239的PN产量和细胞生长情况。

（b）SerC酶催化与丝氨酸、赖氨酸和PN代谢相关的三种反应。

（c）对照菌株（LL006）和serA缺失突变体LL371（LL006 ΔserA）在24 h时的PN产量和OD₆₀₀。

（d）对照菌株（LL006）和大肠杆菌LL371（LL006 ΔserA）在含丝氨酸和丝氨酸（Ser）和甘氨酸（Gly）的发酵培养基中的生长曲线。

（a）在迭代多模块优化中使用的上下模块和向量方案。

（b）上游模块的第一轮迭代多模块优化。

（c）下游模块的第二轮启动子优化。

（d）PdxA和PdxJ的CDS（编码序列）库的第三步迭代多模块优化。

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