中科院微生物所陶勇团队：利用油脂原料高效合成 β-丙氨酸

微生物细胞工厂为利用可再生原料生产高附加值化学品提供了一种有前景的方法，同时将对环境的影响降至最低。TCA循环是生物体重要碳代谢途径，能够提供大量的重要目标化学品（如琥珀酸、衣康酸、富马酸、L-天冬氨酸、苹果酸和 β-丙氨酸）。 但现有生物合成途径往往涉及碳丢失、与生物量竞争等问题，影响了原料转化率、降低过程效率因而导致无法实现产业化 。因此，发展并设计高效的合成途径、实现碳原子有效利用、挖掘低成本的替代原料，能解决以上问题。

6月19日， 中国科学院微生物研究所陶勇研究员团队 在 mLife 发表一文《

Fatty acid feedstocks enable a highly efficient glyoxylate-TCA cycle for high-yield production of β-alanine》，该团队发现 利用油脂原料可以调控乙醛酸-TCA循环，使其高效率向目标产品转化，从而建立了一条极具应用前景的合成路线 。

脂肪酸 (FAs) 可替代葡萄糖且易获得，该团队设计了以脂肪酸为原料合成TCA循环衍生化学品的生物合成路线。脂肪酸经β-氧化降解后可以提供乙酰辅酶A并进入TCA循环，其过程不会发生碳丢失。同时该研究选择了β-丙氨酸作为目标产品。β-丙氨酸是一种重要的TCA循环衍生产物。在生物体内β-丙氨酸是泛酸和辅酶A的前体。β-丙氨酸也是极具潜力的三碳化学品之一，可应用于化妆品、食品添加剂，并作为前体应用于化工、制药及材料领域。在以脂肪酸为原料经乙醛酸-TCA循环合成β-丙氨酸的合成途径中，理论转化率高达1.391 g/g原料（棕榈酸）。

图片来源 | mLife，与葡萄糖相比，利用油脂原料合成TCA循环衍生化学品的产量更高，路线：（A）油脂原料（棕榈酸为例）合成TCA循环中间体（草酰乙酸为例）具有更高的理论转化率；（B）油脂原料合成β-丙氨酸的代谢途径设计

团队首先通过引入panD、强化aspA等基因，初步构建了利用脂肪酸合成β-丙氨酸的菌株，β-丙氨酸的转化率可达0.71 g/g，超过了葡萄糖原料（0.33 g/g）。该团队发现，乙醛酸途径在利用脂肪酸时被显著上调，从而有利于目标产物的合成。通过在icd/suc/fum等节点阻断TCA循环可以提高β-丙氨酸产量，但在发酵过程中会影响细胞生长并降低脂肪酸利用率。途径分析证实，这主要是由于草酰乙酸不足，从而影响了乙醛酸-TCA循环的效率造成的。进而通过系统性分析相关靶点，敲除aspC并回补fum等功能，实现了通量平衡。通过进一步解除发酵过程中的氧胁迫抑制，最终菌株催化49小时的β-丙氨酸产量达到72.05 g/L，最高转化率达到1.24 g/g，约为理论值的86%，远超过目前已报道的水平。

图片来源 | mLife，不同菌株的分批补料β-丙氨酸生物转化。其中（B）通过TCA循环中间体的积累确定合成途径的限制因素

图片来源 | mLife，减轻补料分批培养中的氧损失，其中（C）利用优化的细胞工厂实现β-丙氨酸的高水平合成