【95周年專刊】綜述：動態調控元件及其在微生物代謝工程中的運用

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20170847

文章來源：《化工學報》2018年第69卷

第1期：272-281

動態調控元件及其在微生物代謝工程中的應用

武耀康，劉延峰，李江華，堵國成，

劉龍，陳堅

（江南大學糖化學與生物技術教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

摘 要

代謝工程是通過對代謝途徑的設計、構建與優化，進行營養品、藥品、生物燃料以及化工產品等各種生物基產品合成的關鍵技術。傳統的改造策略如基因的敲除、弱化與過表達會造成代謝流的失衡，而利用微生物自身的調控方式和調控元件，構建合成調控元件，對代謝途徑進行動態調控，可以平衡細胞生長與產物合成，從而做到高產量、高底物轉化率與高生產強度的統一。利用微生物在轉錄水平對於外界環境以及胞內代謝物濃度的變化的響應機制，以及在轉錄後水平通過順式及反式作用元件的調控，和在蛋白質水平通過途徑酶的別構調節以及對蛋白質降解速率的調節，都能開發出相應的動態調控元件並對微生物的代謝進行動態調控。本文分別從轉錄水平、轉錄後水平及蛋白質水平3個層次總結了目前常見的一些動態調控元件，並對其在微生物代謝工程中的應用進行了介紹。

引 言

代謝工程自1991年被提出以來經歷了飛速的發展，通過代謝工程改造得到的微生物菌種被廣泛應用於功能營養品、藥物、生物燃料以及化工產品的生產，合成生物學以及系統生物學的發展也為代謝改造提供了許多更為高效的工具與策略。但由於生物體中代謝途徑錯綜複雜，傳統的代謝改造手段如個別基因的敲除、下調或是過表達很容易造成代謝流的失衡，利用模塊化代謝工程以及合成支架雖然可以對代謝流量進行更為合理的分配，但是這些改造策略都是對代謝途徑的靜態調整，對於代謝途徑的修飾是恒定不變的。這些以提高目標產物轉化率為導向的改造策略往往會對細胞的生長狀況產生不利的影響，生產強度也會隨之下降。微生物自身的代謝流量在不同代謝途徑中的分配並非一成不變的，而是會隨著胞內代謝物水平以及環境因素的變化而發生動態的調整。若能將微生物自身的調控方式加以修飾以用於微生物的代謝改造當中，做到對代謝途徑的動態平衡與重構（圖1），便能減輕對菌體生長產生的不利影響，從而達到高產量、高底物轉化率與高生產強度的統一。動態調控元件作為動態代謝調控的執行者，它的合理選擇與應用是對代謝途徑進行有效動態調控的關鍵。本文將從轉錄水平、轉錄後水平以及蛋白水平3個層次總結目前典型的動態調控元件及其在微生物代謝改造中的應用，並對其未來的發展作出展望。

圖1 代謝途徑的動態調控

結 語

對代謝途徑進行動態調控可以有效避免傳統改造策略造成的中間代謝物積累、輔因子失衡和細胞生長受損等問題，因此具有廣闊應用前景，表1總結了目前已報導的部分動態調控元件。微生物可利用轉錄因子、誘導型啟動子以及某些環境響應系統控制相關基因的轉錄；也能夠通過riboswitch、sRNAs或siRNA等調控元件控制mRNA的穩定性及翻譯過程；還可以利用蛋白質的別構調節以及蛋白質降解系統控制途徑酶的活性與穩定性。利用這些調控方式構建需要的調控元件，用以平衡細胞的生長和產物合成，可以有效地提高目標產物的產量、轉化率與生產強度。然而，目前可以使用的動態調控元件非常缺乏，很多元件對代謝途徑的依賴性較強，因此需要對其進行適當的改造以拓展其適用範圍；同時還需對微生物自身的調控方式進行更為深入的挖掘，以開發出更多的動態調控元件；也可以利用合成生物學的方法，使用不同的調控元件構建邏輯線路，進行更為精細的調控。

表1 動態調控元件

1

轉錄水平調控元件

1.1 誘導物響應

圖2 利用撥動開關動態調控異丙醇合成

1.2 胞內代謝物響應

圖3 利用轉錄因子FapR動態調控脂肪酸合成

1.3 環境響應

圖4 利用lux系統動態調控異丙醇合成

2

轉錄後水平調控元件

2.1 Riboswitch

圖5 利用賴氨酸riboswitch動態調控賴氨酸合成

2.2 sRNAs

2.3 siRNA

2.4 CRISPR系統

3

蛋白水平調控元件

3.1 途徑酶的別構調節

3.2 蛋白質降解調控

圖6 利用tmRNA系統調控蛋白質降解