近期江南大學(xué)生物工程學(xué)院工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室饒志明教授團(tuán)隊(duì)在系統(tǒng)生物學(xué)改造工業(yè)微生物高效合成2,5-二甲基吡嗪研究方面取得新進(jìn)展。研究成果“Redistribution of Intracellular metabolic Flow in E. coli Improves Carbon Atom Economy for High-Yield 2,5-Dimethylpyrazine Production”在線發(fā)表于美國化學(xué)學(xué)會(huì)（ACS）《Journal of Agricultural and Food Chemistry》（Top期刊、SCI一區(qū)期刊，IF: 4.192 ）（J. Agric. Food Chem. 2021, 69, 8, 2576–2584）并被評(píng)選為封面論文（Front Cover）。
2,5二甲基吡嗪是一種重要的醫(yī)藥中間體和風(fēng)味化合物，廣泛應(yīng)用于制藥領(lǐng)域及食品添加劑領(lǐng)域。目前2,5二甲基吡嗪的合成主要采用傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法，但是化學(xué)合成法存在成本較高、伴隨有毒副產(chǎn)物的生成及產(chǎn)品分離困難等缺點(diǎn)，對環(huán)境造成極大污染，也給其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了很大的困難。而生物合成技術(shù)相對溫和環(huán)保，合成的產(chǎn)物是天然的，更容易被廣大消費(fèi)者所接受，因此，2,5-二甲基吡嗪的生物合成技術(shù)也越來越受到眾多數(shù)風(fēng)味化合物生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)注。然而，目前所報(bào)道的它的生物合成方式主要是利用枯草芽孢桿菌和大腸桿菌進(jìn)行合成，其轉(zhuǎn)化率很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)水平。近幾年，有少數(shù)研究者通過基因操控手段改造2,5-二甲基吡嗪生產(chǎn)菌株，但是碳原子得率仍然處于極低的水平。
在該論文中，饒志明教授團(tuán)隊(duì)采用遺傳操控策略對大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)代謝流進(jìn)行重新分配，成功構(gòu)建了碳原子得率顯著提高的2,5-二甲基吡嗪細(xì)胞合成工廠。首先篩選最優(yōu)來源的關(guān)鍵酶以促進(jìn)酶催化反應(yīng)過程，其次引入外源酶并通過表達(dá)調(diào)控該酶以促進(jìn)非酶催化過程，最后利用CRISPR-cas9阻斷強(qiáng)競爭碳流分支代謝途徑進(jìn)而構(gòu)建合適的底盤細(xì)胞，最終碳原子得率提高到30.2%，為目前報(bào)道最高水平。此外，本研究以L-蘇氨酸為底物合成2,5-二甲基吡嗪，而L-蘇氨酸目前廣泛運(yùn)用于食品、飼料以及醫(yī)藥行業(yè)，由于成本低廉，產(chǎn)能逐漸過剩，如今已經(jīng)市場飽和，所以本研究通過構(gòu)建高產(chǎn)2,5-二甲基吡嗪重組菌株，將低值化合物L(fēng)-蘇氨酸高值化，解決了產(chǎn)能過剩的問題，提高了經(jīng)濟(jì)效益。該研究為微生物高效合成2,5-二甲基吡嗪提供重要借鑒。
饒志明教授和張顯副教授為論文的通訊作者，我校2018級(jí)碩士生楊晨為第一作者。上述研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020YFA0908300）、國家自然科學(xué)基金（32071470）、（31500065），國家輕工技術(shù)與工程一流學(xué)科自主課題資助（LITE2018-06）等資助。
近年來饒志明教授團(tuán)隊(duì)以合成生物學(xué)科學(xué)理論為指導(dǎo)，在系統(tǒng)開展高效合成高值化合物細(xì)胞工廠構(gòu)建及產(chǎn)業(yè)化方面取得豐碩成果，相關(guān)研究成果已發(fā)表在Science Advances（2020）、Nat Commun （2018）、 ACS Catal （2018）、Advanced Materials（2018）、Bioresour Technol （2021、2017）、Green Chemistry（2016）、metab Eng（2016）等本領(lǐng)域權(quán)威期刊。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.jafc.0c07408
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