PNAS∣工程化甲烷古菌高速固碳生产生物塑料

“PNAS∣工程化甲烷古菌高速固碳生产生物塑料”

文献信息：

Kershanthen Thevasundaram, Joseph J. Gallagher, Freeman Cherng, and Michelle C.Y. Chang.

https://doi.org/10.1073/pnas.2118638119

PNAS 影响因子：12.779

背景介绍

捕获二氧化碳并将其转化为增值产品，可有效缓解温室效应。植物和其他光合生物在全球碳循环中发挥着关键作用，但它们对光的依赖可能限制了工业化学合成。产甲烷古菌作为一种能够非光合固定二氧化碳的微生物物种提供了一个替代平台。考虑到古菌和典型异养生物之间在代谢方面的明显差异，一个主要挑战是将上游碳固定途径与下游生物合成途径连接起来。

作者对甲烷古菌（Methanococcus maripaludis）进行了探究，将乙酰辅酶A定向转化生成生物塑料聚羟基丁酸（polyhydroxybutyrate，PHB）。许多研究表明，PHB的生产受氧化还原水平的限制，Methanococcus maripaludis胞内NAD(P)(H)池的含量仅有大肠杆菌的15%，可能是因为产甲烷古菌利用了F₄₂₀和铁氧还蛋白。

作者采用异源表达等多种工程策略精确靶向并增加氧化还原池的含量，使得PHB和干细胞的产量高达171±4 mg/L。

图文解读

示意图1

利用化能自养菌的代谢过程，将CO₂和H₂转化为高值化学品。代谢过程中，乙酰辅酶A作为中间代谢产物，将CO₂、H₂的消耗和PHB的产生相结合。

图1 设计(S)-3-羟基丁酸（S-3HB）的生物合成途径

（A）phaA-hbd-tesB途径由三种酶组成，它们催化由乙酰辅酶A合成S-3HB。每个基因的表达均由P_mcrB启动子启动。

（B）在添加适当底物和辅助因子的古菌裂解液中测定了S-3HB途径酶的酶活性。

图2 工程菌株（M. maripaludis）的生理性能研究

（A）由Ald酶催化的丙氨酸脱氨生成丙酮酸，在此过程中NAD⁺作为电子受体。

（B）采用酶发光法测定不同氮源下古菌胞内NAD⁺（白色）、NADH（浅灰色）和总NAD⁺/H（深灰色）水平。

（C）NAD⁺/NADH的数据表明，在McNA-Ala培养基中培养的菌株中的NAD池，比在McNA和McCas培养基中的更少。

（D）测定在McCas、McNA或McNA-hbs-ala培养基条件下培养的Δhpt菌株的S-3HB浓度。

（E）相关S-3HB基因的表达的热图。

图3 工程菌株（M. maripaludis）提高了的NAD⁺循环速率和NAD(H)水平

（A）通过过表达NAD⁺生物合成途径中的基因或插入nadMV挽救途径来扩增NAD池。

（B）分别过表达NAD⁺生物合成途径中的基因，并在McCas培养基中培养，以评估各基因对NAD池的影响。

（C）在McCas培养基中添加0~50 mM烟碱（微生物B5），以测定了表达nadMV挽救途径的工程菌株中NAD+（白色）、NADH（浅灰色）和总NAD⁺/H（深灰色）。

（D）基因组位点插入fdh1，以使用菌株可以利用甲酸盐作为NADH再生的能量来源。

（E）引入fdh1后，测定了NAD⁺的回收率，并与野生型菌株进行了对比。

图4 工程菌株（M. maripaludis）以H₂和CO₂为底物，生产PHB

在McNA基础培养基中生长14 d后，测定3HB或PHB的产量，并通过HPLC进行定量。

菌株1在McCas（1A）、McNA（1B）和McNA-Ala（1C）培养基中培养，其余菌株在McNA培养基中培养。

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