丁二酸是一种优秀的平台化合物，在化工、材料、医药、食品领域有着广泛的用途，被美国能源部列为未来12种最有价值的平台化合物之一。作为C4平台化合物，其可用于合成1,4-丁二醇、四氢呋喃、γ-丁内酯、2-吡咯烷酮以及生物可降解材料聚丁二酸丁二醇酯（PBS）。构建高效生产丁二酸的微生物细胞工厂，将可再生的生物质资源高效转化为丁二酸，是近年来国际上的研究热点。
磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的羧化是大肠杆菌丁二酸合成途径中的关键功能模块。大肠杆菌中存在两个PEP催化酶类：PEP羧化酶（PPC）和PEP羧化激酶（PCK）。PPC是葡萄糖发酵条件下主要的催化酶类，对HCO3-底物的亲和力高，催化速度快；与PPC相比，虽然PCK对底物的亲和力低，催化速度较慢，但是在催化过程中偶联着ATP的生成，是能量节约型的反应。虽然先前的报道中对这两个酶在大肠杆菌丁二酸生产过程中的作用有过研究，但是相关的研究缺乏系统性；此外，对于协同利用PPC和PCK这两种不同催化优势进行丁二酸生产的案例也未见报道。
中科院天津工业生物技术研究所张学礼研究员课题组对这一问题进行了深入的研究。研究发现，单独提高PCK的酶活，能够有效提高大肠杆菌厌氧条件下丁二酸的生产；而PPC酶活的提高，在一定范围内有利于丁二酸的生产，但是PPC酶活超过一定阈值，将会导致大量ATP的损失，并继而引起丁二酸产量和转化率的降低。在中等PCK酶活背景菌株中协同调控PPC，发现组合调控菌株比单调控PCK和PPC菌株的丁二酸产量分别提高184%和66%，转化率分别提高127%和73%；在高酶活PCK背景菌株中协同调控PPC，发现组合调控菌株的丁二酸产量比PCK和PPC单调控菌株分别提高24%和200%，转化率分别提高11%和97%。研究表明，协同利用PCK和PPC，能够充分发挥各自催化优势，比利用单个羧化酶更有利于丁二酸的合成。本研究为构建高效生产丁二酸的大肠杆菌细胞工厂奠定了基础。
相关研究成果发表在Applied and Environmental Microbiology期刊上。天津工业生物所的博士研究生谭在高为论文的第一作者。
另一方面，丁二酸的转运是大肠杆菌丁二酸合成途径中的一个重要模块。大肠杆菌中有4个参与C4-二羧酸（丁二酸，富马酸和苹果酸）转运的蛋白：DcuA、DcuB、DcuC和DcuD。尽管先前有大量的研究显示了这些蛋白在C4-二羧酸的吸收及富马酸-丁二酸双向交换中的作用，对丁二酸转运能力很少报道。张学礼研究员课题组系统地研究了这四个蛋白参与丁二酸转运的能力，发现单独敲除dcuA和dcuD基因对丁二酸产量几乎没有影响；单独敲除dcuB和dcuC基因使丁二酸产量产量分别下降15%和11%；同时敲除dcuB和dcuC基因使丁二酸产量下降90%，表明DcuB和DcuC是主要的丁二酸转运蛋白。通过使用人工RBS调控元件文库对dcuB和dcuC基因进行组合调控，能将丁二酸产量提高34%。本研究为构建高效生产丁二酸的大肠杆菌细胞工厂奠定了基础。
相关研究成果发表在Appl Microbiol Biotechnol期刊。天津科技大学的联合培养研究生陈晶和天津工业生物所的朱欣娜博士为论文的共同第一作者。
该研究得到国家“973”计划、“863”计划和中科院知识创新工程的支持。
图1：协同利用PPC和PCK提高丁二酸的生产 A: 大肠杆菌混合酸发酵； B: 中等PCK酶活条件下协同利用PPC和PCK生产丁二酸；C: 高PCK酶活条件下协同利用PPC和PCK生产丁二酸
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