谷氨酸棒杆菌高效产β-丙氨酸

β-丙氨酸（3-氨基丙酸）是一种存在于所有生物中的非蛋白性β-氨基酸。在细胞代谢中，β-丙氨酸是泛酸（维生素B5）和辅酶a（CoA）的前体，它与各种代谢活动，特别是脂肪酸代谢有关。此外，β-丙氨酸在工业、农业和食品都具有广泛的应用。然而，目前工业上β-丙氨酸的生产依赖化学合成，这通常涉及有害的原材料和恶劣的生产条件。

近日，韩国科学技术高级研究院的Hyun Uk Kim团队在Metabolic Engineering杂志上发表了题为Systems metabolic engineering of Corynebacterium glutamicum for the efficient production of β-alanine的文章，通过系统代谢工程改造谷氨酸棒杆菌高效产β-丙氨酸。

 首先，作者在谷棒杆菌体内分别表达七个不同的宿主的天冬氨酸-脱羧酶（ADCs)，发现来自枯草芽孢杆菌的BspanD能更有效合成β-丙氨酸，产量可达2.7 g/L，因此被用来构建β-丙氨酸生产菌株。接下来，使用基因组预测软件FSEOF（过表达靶点）和OptForce（预测过表达和下调（或敲除）靶点）进一步探索有效的基因操纵靶点，对预测出的与中心代谢调控相关的基因进行代谢工程调控。先过表达PTS非依赖性的葡萄糖摄取系统，增加葡萄糖的利用，β-丙氨酸滴度增加到4.5 g/L。其次过表达磷酸烯醇丙酮酸羧化酶（ppc）和丙酮酸酯酶（pyc）以增强草酰乙酸的供应，β-丙氨酸滴度增加到10.0 g/L。接着过表达天冬氨酸转氨酶（aspB）和枯草芽孢杆菌来源的谷氨酸脱氢酶（BsrocG）以增加天冬氨酸的供应，β-丙氨酸滴度增加到12.0 g/L。最后，过表达三羧酸循环中的异柠檬酸脱氢酶（icd）和以及下调α-酮戊二酸脱氢酶（odhA）来进一步增强L-谷氨酸的供应，同时敲除苹果酸脱氢酶（mdh）以减少草酰乙酸还原为苹果酸，β-丙氨酸滴度增加到12.7 g/L。最后，作者新发现并过表达了一个β-丙氨酸输出蛋白NCgl0580，避免了有毒副产物的积累，进一步提高了β-丙氨酸的产量至17.3  g/L。对最终的工程菌BAL10进行分批补料发酵，最终β-丙氨酸的产量达166.6g/L，转化率为0.28g/g，生产强度为1.74g/L/h。这种生产性能是迄今为止报道的微生物发酵的最高效价、产量和生产力。