谷棒利用乙酸高产3-羟基丙酸

文章背景

3-羟基丙酸（3-hydroxypropionic acid，3-HP）是一种重要的化工原料，可以生产各种化学品，被广泛应用于农业、食品和材料等领域。为了避免从石油化学产品中合成 3-HP 所带来的环境问题，利用微生物从可再生原料中生产 3-HP备受关注。

乙酸作为一种非粮食资源，可以通过廉价的化学方法或从废弃的有机原料中产生。本研究以谷氨酸棒杆菌Cgz2为出发菌，利用乙酸作为碳源通过丙二酰辅酶A途径高产3-HP。

研究内容

谷棒可以利用乙酸作为碳源合成乙酰辅酶A，但缺少由mcr基因编码的丙二酰辅酶A还原酶，使其不能利用丙二酰辅酶A合成3-HP。作者在Cgz2中引入嗜热光合绿曲菌且经过突变的mcr*基因，同时采用多种策略提高MCR的酶活，发现Cgz2/sod-N-C*的MCR酶活最高，且3-HP浓度最高达到0.66 g/L，因此Cgz2/sod-N-C*用于进一步的改造。

乙酰辅酶A是 3-HP合成的间接前体，可影响丙二酰辅酶A和3-HP的合成。为减少乙酰辅酶A的消耗，作者使用弱启动子和起始密码子替换策略下调gltA 的表达，Cgz12/sod-N-C*相较于Cgz2/sod-N-C*的gltA编码的柠檬酸合酶的酶活明显降低，3-HP浓度达到2.39 g/L。

丙二酰辅酶A是3-HP合成的直接前体，可通过acc基因编码的乙酰辅酶A羧化酶催化乙酰辅酶A获得。文献报道acc基因的两个亚基accBC和accD1可与fasO序列结合，且受转录抑制因子FasR的严格调控。考虑到FasR也是脂肪酸合成途径的负调控因子，因此作者在Cgz2/sod-N-C*中敲除fasO序列以解除乙酰辅酶A羧化酶的负反馈调节，重组菌株Cgz13/sod-N-C*中3-HP浓度提高。

考虑到下调gltA 和解调控acc均有利于3-HP的生产，作者在Cgz12/sod-N-C*中敲除fasO序列后获得Cgz14/sod-N-C*，摇瓶显示Cgz14/sod-N-C*的3-HP浓度未提高。之后作者分析了Cgz2/sod-NC*、Cgz12/sod-N-C*、Cgz13/sod-N-C*和Cgz14/sod-N-C*胞内代谢物的变化，发现Cgz14/sod-N-C*脂肪酸浓度很高，表明Cgz14/sod-N-C*有更多的丙二酰辅酶A合成脂肪酸而不是3-HP。

为减少脂肪酸的合成，作者在培养基中添加浅蓝菌素抑制脂肪酸合成途径，摇瓶显示Cgz14/sodN-C*的3-HP浓度达到4.26 g/L，且高于Cgz12/sodN-C*。

考虑到浅蓝菌素价格高不适合工业生产，因此在5L发酵罐中不添加浅蓝菌素，Cgz14/sodN-C*可产17.1 g/L 3-HP。这是目前以乙酸为底物通过分批发酵获得的最高水平。