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浙大连佳长等：玉米芯转化木糖高产木糖醇的合成生物技术

时间：2023-11-15 来源：浏览：

浙大连佳长等：玉米芯转化木糖高产木糖醇的合成生物技术

生物基能源与材料

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以下文章来源于微生物遗传与工程生物学，作者合成生物催化剂工程2

微生物遗传与工程生物学 .

我们实验室致力于开发微生物基因组编辑工具，用于更快地构建或重构细胞以理解其高效功能背后的遗传与生化机制，进而设计新一代的工程细胞，助力绿色化学与生物医药应用。本公众号由学生每人每周摘译1篇精选8篇推送，请多批评指正及提供新闻素材甚至投稿。

木糖醇 是一种功能性五碳糖醇，广泛应用于食品、制药和石化行业。微生物合成木糖醇使用来自农业废弃物和能源作物如玉米芯、柳枝稷等的木质纤维素资源作为基质，通过酸水解和酶消化等过程，释放葡萄糖和木糖等可发酵糖，重组微生物通过表达木糖还原酶将这些糖转化为木糖醇。

然而，玉米芯水解物存在毒性和葡萄糖分解代谢抑制，木糖醇的生产受到限制。 在大肠杆菌中，磷酸转移酶系统 (phosphotransferase system，PTS)是葡萄糖的主要转运系统，由酶I EI( ptsH 编码)、组氨酸磷酸载体蛋白HPr ( ptsI 编码)以及酶II复合物EIIA Glc ( crr 编码)和EIIBCGlc(ptsG编码）组成。PTS中磷酸化的EIIAGlc能够结合并激活腺苷酸环化酶（adenylate cyclase，AC）合成 cAMP。

当葡萄糖经PTS进入细胞被磷酸化为葡萄糖-6-磷酸，磷酸化的EIIAGlc减少，导致AC活性降低，cAMP 水平也随之降低。细胞在摄入半纤维素衍生的混合糖时，非 PTS 糖如木糖、阿拉伯糖的分解代谢基因需要由cAMP与环AMP受体蛋白（cyclic AMP receptor protein , CRP）形成的复合物激活，当细胞内cAMP处于低浓度时，cAMP-CRP 复合物形成减少， 会阻碍这些次级糖分解代谢操纵子的转录 。

通过失活ptsG基因造成PTS部分功能缺失可以减缓葡萄糖进入细胞，缓解葡萄糖分解代谢抑制，但是会抑制细胞生长。 在没有cAMP的情况下变构激活CRP，进一步调节DNA结合和全局转录，可能是一种很有前途的方法。

CRP是大肠杆菌的七大全局调控因子之一，已被证明可以调控数百个细胞代谢相关基因的表达。 研究表明对其进行突变除了缓解葡萄糖分解代谢抑制CCR效应外，还有助于提高菌株的鲁棒性，比如改善大肠杆菌在有毒底物中的生长。位于 cAMP 结合口袋（S62、E72、R82、S83、R123、T127 和 S128）周围的 CRP 残基一直是大量研究的重点。

近日， 浙江大学吴绵斌、连佳长 等在《J. Agric. Food Chem.》发表文章“Multisite Mutation of the Escherichia coli cAMP Receptor Protein: Enhancing Xylitol Biosynthesis by Activating Xylose Catabolism and Improving Strain Tolerance”。

团队选择CRP的S83和S128氨基酸残基作为修饰靶点进行组合突变，成功地增强了木糖的分解代谢。还提高了菌株对玉米芯水解物的耐受性。得到的突变菌株在20L生物反应器中进行发酵，并半连续地加入玉米芯水解物。 41小时内木糖醇滴度和生产强度分别为175和4.32 g/L/小时。

综上，该菌株使用未经毒性处理的玉米芯水解产物作为底物，达到了有史以来最高的木糖醇生产水平。

来源：微生物遗传与工程生物学

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