Nature Communications∣创新构建一个磷酸依赖的甲酸到甲醛转化途径

“Nature Communications∣创新构建一个磷酸依赖的甲酸到甲醛转化途径”

文献信息：

Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwan Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Fayin Zhu, Lennart Nickel, Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Paczia, Nina Gaibert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez & Tobias J. Erb.

https://doi.org//10.1038/s41467-023-38072-w

Nature Communications 影响因子：17.694

背景介绍

甲酸作为碳中性生物经济的核心，可通过（电）化学手段由二氧化碳生产，并通过酶级联或工程微生物转化为高值化学产品。以甲酸为底物生产甲醛时，其转化过程存在一定的热力学局限，较难实现。

在这里，作者开发了一种新的双酶（乙酸激酶和N-乙酰-γ-谷氨酰基磷酸还原酶）途径，并探索了两种酶的混杂性，在转化过程中甲酸首先被活化为甲酰磷酸，后被转化为甲醛。随后，作者进一步设计甲酰磷酸还原酶变体，通过抑制与天然代谢的串导，提高了体内磷酸甲酰转化，并将P_i途径与最近开发的甲醛同化途径结合起来，使甲酸作为大肠杆菌中唯一的碳源形成C2化合物。

研究表明，P_i路线为扩大同化甲酸盐提供了有力的工具。

图文解读

图1 设计甲酸还原生成甲醛途径及分析

（a）代谢过程示意图。

（b）MDF计算分析三种代谢过程。

（c）通过三种途径和RuMP途径产生12种相关代谢前体和生物量的FBA计算。

图2 多种代谢酶中混杂磷酸甲酰基还原酶活性的发现

（a）多种大肠杆菌酶磷酸甲酰基还原酶活性的比较。

（b）ArgC同源物对磷酸甲酰基活性的比较。

（c）ArgC同源物的系统发育树。

（d）存在或不存在50mm甲酸铵的条件下，大肠杆菌BL21ΔfrmRAB中EcAckA + DaArgC产甲醛的情况。

（e）EcAckA和DaArgC的SDS-PAGE图。

图3 DaArgC的工程改造

（a）DaArgC的活性位点和底物结合结构域的卡通描述。

（b）库筛选方法的描述。

（c）DaArgC的迭代饱和与随机诱变。

图4 DaArgC变体的验证

（a）DaArgC (PBD-ID8AFU, 2.0 Å)的晶体结构。

（b）DaArgC3 (PBD-ID 8AFV, 2.2 Å)的晶体结构。

（c）DaArgC3变体的胞内活性。

（d）EcAckA 和 DaArgC变体的胞外甲醛生产情况。

图5 P_i途径可以整合到FORCE途径中，从甲酸酯中生成C2化合物

（a）生成甲醛和甲酸辅酶a以供给下游FORCE途径所需的甲酸活化/还原反应方案。

（b）P_i和CoA模块在体外生产Glucolyl-CoA。。

（c）静息细胞3 h后P_i和CoA模块产生的乙醇酸。

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