威斯康星大学团队工程化改造细菌，联产类胡萝卜素及聚酯前体

如今，使用微生物制造化学品和蛋白质已经不再是新闻。但是通常情况下，单一种类的微生物也仅能够收获一种主要产品。

现在，来自美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员通过对细菌进行改造，可以基于未充分利用的植物纤维同时生产两种化学产品。相关论文Production of carotenoids from aromatics and pretreated lignocellulosic biomass by Novosphingobium aromaticivorans已发表于Applied and Industrial Microbiology期刊。

（来源：Applied and Industrial Microbiology）

作为一种具有广阔前景的微生物平台，Novosphingobium aromaticivorans（以下简称“N. aromaticivorans”）细菌本身能够利用木质纤维素生物质生产商业化学品。除此之外，该类细菌也由于基因组易于修饰的特点而备受关注。

此前，N. aromaticivoransDSM 12444 菌株已被设计为能够产出 2-吡喃酮-4,6-二羧酸（PDC），这是一种用于工业化生产的聚酯前体。在此之后，研究者根据N.aromaticivoransDSM 12444 菌株基因组预测，其能够用于生产多种类胡萝卜素，包括番茄红素、β-胡萝卜素、玉米黄素等。

而在分析过程中，研究人员判断，发生于N. aromaticivorans基因组中的单个或多个基因的突变将会影响到菌株生产类胡萝卜素的途径。

为了证实该想法，研究者通过删除或添加选定基因的方式重新设计了菌株。如其所料，分别删除菌株基因组中的 crtB 或 crtY 等会导致产出类胡萝卜素发生变化。

除此之外，研究者将来自于S. astaxanthinifaciens或S. taxi的重组 crtW 基因分别放入 12444ΔcrtG 的 crtG 基因座中，由此生成菌株 12444SastaW 和 12444StaxiW。

进一步分析发现，这两种新的菌株产物中均包括虾青素和辅酶 Q10，区别在于两者的其他类胡萝卜素产物有所不同。这就表明，通过引入虾青素的 crtW 相关基因，即可使用N. aromaticivorans产出虾青素。

▲图丨将两种 crtW 基因插入到N. aromaticivorans基因组中导致产出的类胡萝卜素变化（来源：Applied and Industrial Microbiology）

以上述工作为基础，研究者更进一步，试图探究单一N. aromaticivorans菌株是否能够在产生细胞外产物 PDC 的同时，在细胞内生成亲脂性化合物（即类胡萝卜素、辅酶 Q10 等）。

为此，研究团队设计了一组菌株，其基因组内同时包含生产 PDC 所需的突变以及积累类胡萝卜素所需的突变。

试验结果表明，这些工程化菌株在碱性高粱生物质（APL）中生长时可以同时产生 PDC 以及预期的类胡萝卜素等产物。更加值得注意的是，在同时生产的情况下，任一种类产物的产量均没有明显损失。唯一需要做的是，类胡萝卜素等亲脂性化合物集中在细菌内部，必须将其从含有 PDC 的溶液中分离出来。

▲图丨在 APL 中生长的N. aromaticivorans菌株中类胡萝卜素（A–C）、辅酶 Q10（D ）和 PDC（E）产量（来源：Applied and Industrial Microbiology）

“我们已经将细胞与培养基分离，”论文第一作者，威斯康星大学博士研究生 Benjamin Hall 表示，“现在我们将拥有两者兼而有之的产品。”

“据我所知，这是第一次可以在一种微生物中同时生产两种有价值的产品，”论文通讯作者、威斯康辛大学麦迪逊分校细菌学教授兼五大湖生物能源研究中心（GLBRC）主任Timothy Donohue对此表示。

“原则上，这种方法能够降低温室气体净排放量并且提高经济效益，”Donohue对此解释称，“在一个锅中同时生产两种产品所需的能源和温室气体量将少于单独生产所需。”

接下来，研究团队将致力于改变工程化菌株同时生产的产物种类，并且还将通过改造进一步提高产量。Donohue表示，“在我看来，该研究成果打开了一扇新的大门，接下来我们将尝试是否可以创造出其他微生物底盘，从而联产其他种类的两种产品。”

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