維生素B5（又稱(chēng)D-泛酸）在細胞中參與碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)的代謝，是人體必需的維生素之一，被廣泛應用于醫藥、飼料、食品、保健等領(lǐng)域。D-泛酸目前主要通過(guò)化學(xué)-酶法生產(chǎn)，該過(guò)程涉及大量含氰廢水的處理，隨著(zhù)人們對環(huán)境保護的重視，該方法面臨著(zhù)巨大的挑戰。微生物細胞工廠(chǎng)因其綠色環(huán)保的特點(diǎn)，是實(shí)現D-泛酸生產(chǎn)可持續發(fā)展的突破口。

文章上線(xiàn)截圖 

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.jafc.3c01082

  武漢大學(xué)劉天罡教授與中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院馬田副研究員合作在Journal of Agricultural and Food Chemistry上發(fā)表題為“Metabolic Engineering of Saccharomyces cerevisiae for Vitamin B5 Production”的研究成果。該研究在釀酒酵母中構建了D-泛酸的高效合成途徑，并通過(guò)系統代謝工程對合成途徑進(jìn)行優(yōu)化，最終使用廉價(jià)培養基且無(wú)前體、無(wú)誘導劑、無(wú)抗生素添加，實(shí)現4.1 g/L D-泛酸的合成，是目前報道釀酒酵母從葡萄糖從頭合成D-泛酸的最高產(chǎn)量。

圖1. 本研究涉及的D-泛酸生物合成途徑 

　　D-泛酸合成途徑關(guān)鍵酶的篩選及適配。該研究首先將D-泛酸的生物合成途徑設計為三個(gè)模塊：β-丙氨酸合成模塊、D-泛解酸合成模塊和兩者的縮合模塊，過(guò)程涉及7步關(guān)鍵酶（圖1）。將來(lái)自細菌、酵母、真菌、藻類(lèi)、植物、動(dòng)物等不同物種來(lái)源的功能酶以模塊為單位進(jìn)行篩選，并通過(guò)組合篩選獲得最佳的元件適配組合。在釀酒酵母中構建了D-泛酸異源合成途徑，并實(shí)現利用基本碳源且無(wú)前體添加合成D-泛酸。 

　　D-泛酸生物合成途徑的優(yōu)化。為了進(jìn)一步強化D-泛酸合成途徑，作者對三個(gè)模塊的基因進(jìn)行拷貝數的優(yōu)化，發(fā)現D-泛解酸合成模塊、β-丙氨酸合成模塊和前體縮合模塊拷貝數為3:1:2時(shí)，工程菌合成泛酸的能力最強。 

　　另一方面，D-泛酸合成途徑中存在多個(gè)競爭途徑，作者圍繞丙酮酸與酮異戊酸兩個(gè)關(guān)鍵中間代謝物對不同競爭途徑進(jìn)行了刪減或削弱。通過(guò)對競爭途徑關(guān)鍵基因的敲除，作者發(fā)現leu4、bat1、gpd1和gpd2四個(gè)潛在D-泛酸增產(chǎn)的有效位點(diǎn)。隨后，通過(guò)過(guò)表達pos5平衡細胞內的氧化還原力，過(guò)表達mae1增加前體丙酮酸，獲得D-泛酸高產(chǎn)菌株。 

　　D-泛酸高產(chǎn)菌的發(fā)酵優(yōu)化。在以上研究中，關(guān)鍵基因的表達受半乳糖誘導型啟動(dòng)子調控，作者將關(guān)鍵調控基因gal80敲除，使基因的過(guò)表達僅通過(guò)葡萄糖調控，獲得工程菌DPA171。在發(fā)酵罐中對菌株DPA171進(jìn)行發(fā)酵條件優(yōu)化，通過(guò)控制補料階段乙醇的濃度在5 g/L以下，在不添加誘導劑、前體、抗生素等成分的條件下，以葡萄糖為碳源從頭合成，實(shí)現4.1 g/L D-泛酸的合成。 

圖2. 釀酒酵母細胞工廠(chǎng)高產(chǎn)D-泛酸  

　　綜上，本研究首次在釀酒酵母中構建了完整的D-泛酸異源合成途徑，并進(jìn)行系統代謝工程實(shí)現以葡萄糖為碳源從頭合成D-泛酸，為構建維生素類(lèi)細胞工廠(chǎng)提供了指導。 

　　本論文以武漢大學(xué)碩士生郭加璇為第一作者，以劉天罡教授和馬田副研究員為共同通訊作者。該研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃和武漢合生科技有限公司支持。  

　　通訊作者簡(jiǎn)介： 

　　馬田博士，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員。主要致力于探索微生物高效合成的代謝機理及工程手段以實(shí)現目標生物源藥物的綠色制造。研究成果以第一作者或通訊作者發(fā)表在Nature Communications、Metabolic Engineering等。轉化成果被評為2018年湖北十大科技事件、2019年湖北省科技進(jìn)步一等獎。 

　　課題組面向微生物綠色制造方向，現招聘博士后和研究助理，以微生物學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)背景優(yōu)先，歡迎感興趣的同志投遞簡(jiǎn)歷至郵箱tian.ma@siat.ac.cn。