天津大学电遗传技术助力异丁醇电发酵接近理论产率

关键词：

来源：

Joule

来源地址：

https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(24)00438-0

资源所属：

农业生物技术专题

类型：

学术文献

语种：

英语

原文发布日期：

2024-10-29

摘要：

2024年10月29日，天津大学化工学院李锋/宋浩教授团队于Cell子刊Joule杂志发表题为“Electro-controlled distribution of reducing equivalents to boost isobutanol biosynthesis in microbial electro-fermentation of S. oneidensis”的论文，报道了一种能够直接响应胞内NADH/NAD+比例的智能电控系统，通过电位调控异丁醇电发酵代谢通路，实现胞内还原力的高效定向分配。在本研究中，作者首先构建了一株含有异丁醇电合成途径的希瓦氏工程菌，发酵产量达122 mg/L。随后通过外加–0.6 V电位进行电合成，产量达256 mg/L。然而，由于过量供给还原力导致胞内氧化还原失衡，极大降低细胞存活率。因此，为了缓解氧化还原不平衡导致的细胞活力受阻，开发了一个双阶段电合成技术，即先+0.5 V两天通过电极呼吸进行细胞生长和生物膜形成，再–0.6 V十天进行电合成，将电发酵分为“细胞生长”和“产物合成”两个阶段，显著提高发酵过程中菌体量和存活率，并将产量提高至400 mg/L。随后，为了解除+0.5V下异丁醇途径的过早表达带来的生长代谢负荷，作者进一步开发了一个响应NADH/NAD+比例的生物传感器，即基于转录因子Rex的生物传感器，其对NAD+和NADH具有不同的结合活性，与NAD+结合时发挥转录抑制作用，与NADH结合时解除抑制，从而实现响应不同电位和NADH/NAD+比例时基因的表达开关转换。基于此，我们构建了电控基因表达系统，实现了异丁醇合成途径正电位开和负电位关。此电控系统进一步提高了电合成过程中细胞的存活率和电极生物量，促进了正电位生物膜形成和负电位的电子吸收速率，实现了负电位下还原力的精准供给，彻底解耦细胞生长和产物合成过程，将异丁醇产量提高至773mg/L，产率达到0.239g/g乳酸，是理论最高产率的58.1%。最后，为了实现还原力和碳源靶向异丁醇途径的定向分配，作者开发了一个电控CRISPR抑制系统（eCRISPRi），利用NADH传感器智能调控dCas9蛋白的表达，通过响应不同电位下NADH/NAD+比例，实现在负电位下动态启动对还原力和前体竞争途径的抑制；并筛选了五个靶向基因，发现抑制丙酮酸裂解途径不仅能够减少副产物甲酸乙酸合成，还能降低NADH的消耗，最终将异丁醇的产率提高至1321mg/L，是出发菌株的10.8倍，同时产率达到0.394g/g乳酸，是出发菌株的10.4倍，并达到了理论最高产率的94.9%。本研究通过三种策略协同互补：策略一（双阶段电发酵工艺），策略二（引入NADH/NAD+生物传感器）和策略三（电控CRISPR转录抑制技术）在希瓦氏菌中构建了一套智能电控系统，实现了异丁醇产量和产率的大幅提高，为微生物电发酵过程中还原力的高效定向供给提供了新策略。在本系统中，电极不仅可以作为电子源促进还原力再生，还能作为基因调控开关，实现还原力靶向目标途径的高效智能分配，为电调控和电遗传系统的进一步开发奠定了基础。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、天津市科技计划项目等基金的支持。