Metabolic flux redirection from a central metabolic pathway toward a synthetic pathway using a metabolic toggle switch
使用代谢切换开关将代谢通量从中心代谢途径重定向至合成途径
Highlights 亮点
- •A synthetic genetic circuit named “metabolic toggle switch” for the redirection of metabolic flux was constructed in E. coli.
在 E. coli 中构建了一种名为“代谢切换开关”的合成遗传电路,用于重定向代谢通量。 - •Excess carbon flux in the TCA cycle was redirected toward isopropanol production pathway by metabolic toggle switch.
TCA 循环中过量的碳通量通过代谢切换开关被重定向到异丙醇生产途径。 - •Using metabolic toggle switch, isopropanol production titer and yield improved up to 3.7 and 3.1 times, respectively.
使用代谢切换开关,异丙醇的产量和收率分别提高了 3.7 倍和 3.1 倍。
Abstract 摘要
在生产途径中过度表达基因并永久敲除竞争途径中的基因,常被用于提高代谢工程中的生产效价和产量。然而,即便与生产途径的竞争显而易见,先前并未采用过删除负责生长和细胞维持的途径的方法。为了在细菌生长和生产的每个发酵阶段优化细胞内代谢,需要一种采用条件性敲除的方法。我们在大肠杆菌中构建了一种代谢切换开关,作为一种新颖的条件性敲除方法,并将其应用于异丙醇生产。通过将 gltA 关闭导致 TCA 循环中断,从而重新定向过量的碳流,使得异丙醇的生产效价和产量分别提高了 3.7 倍和 3.1 倍。此方法是重新定向负责细菌生长和/或细胞维持的碳流向合成生产途径的有用工具。
Keywords 关键词
合成遗传电路 代谢通量重定向 代谢切换开关 合成途径
1. Introduction 1. 引言
代谢工程微生物已被开发用于生物基生产多种化学品,包括溶剂、燃料、聚合物、药品和香水(Keasling, 2013; Rabinovitch-Deere et al., 2013)。为了提高目标产品的滴度和产量,既需要过表达负责目标化合物生产的基因(Wang et al., 1999; Lee et al., 2007; Lütke-Eversloh and Stephanopoulos, 2008),也需要删除负责副产物合成的基因(Clomburg and Gonzalez, 2010; Qian et al., 2009; Atsumi et al., 2008a; Balzer et al., 2013)。针对后者,通常通过同源重组从染色体中永久敲除不需要的基因(Jarboe et al., 2010),这通常会提高目标生物基产品的滴度和产量(Zhang et al., 2007; Park et al., 2007; Alper et al., 2005; Matjan et al., 1989; Lee et al., 2005)。然而,其中一些基因负责细菌生长和/或细胞维持。 删除这些基因将提高每个细胞所需产品的滴度和产量,但会降低生长速率和/或最终细胞密度,并可能导致细胞死亡。这些基因在代谢工程中很少被敲除,因为最终细胞密度对于发酵过程中的总滴度和产量至关重要。另一种方法是保持这些基因的高表达,直到达到足够的细胞量,然后关闭这些基因。例如,不是永久性地从染色体中敲除一个基因,而是一种新型的基因表达控制系统可以有条件地抑制特定基因的表达。Tet-Off 系统通过添加四环素及其衍生物来关闭其控制基因的表达,通常用于此目的,并已应用于来自哺乳动物、植物和昆虫的几种生物和/或培养细胞(Zhu 等,2002)。然而,这种基因表达控制系统尚未应用于微生物的代谢工程。
另一方面,合成生物学研究已产生了模仿自然基因表达系统的合成基因电路。例如,噬菌体λ中的基因开关和蓝藻昼夜节律振荡器(Gardner 等,2000;Stricker 等,2008)。最近,编码更大更复杂系统的合成基因电路已被开发用于生物技术应用(Slusarczyk 等,2012)。尽管迄今为止描述的每个合成基因电路对于代谢工程都颇具前景,但在生物生产中的应用实例却寥寥无几。其中之一是利用工程化大肠杆菌生产番茄红素(Farmer 和 Liao,2000)。在该报告中,开发了一种动态控制器,它感知细胞内乙酰磷酸浓度作为流向废物产物的过量通量信号,这一系统促进了番茄红素生产的改进。另一个例子是利用工程化大肠杆菌生产脂肪酸酯。 本报告还开发了一种动态传感器-调节器系统,用于感知前体脂肪酰辅酶 A 的细胞内浓度,并提高了其生产效率(Zhang 等,2012)。除了这两个例子外,还开发了一些合成遗传电路(动态代谢阀和代谢交换板)用于生物技术应用,但它们尚未应用于特定的生物生产(Solomon 等,2012,Callura 等,2012)。
最近,为了生产各种目标产品,人们利用代谢中间体作为前体设计了合成代谢途径,并在适当的宿主微生物中构建了这些途径。特别是,大肠杆菌已被用作许多合成途径的有前途的宿主微生物,包括 1,3-丙二醇(Nakamura 和 Whited,2003)、1-丁醇(Dellomonaco 等,2011)、异丁醇(Atsumi 等,2008a)、1-丙醇(Atsumi 和 Liao,2008b)、异丙醇(Hanai 等,2007)、丙酮(Bermejo 等,1998)、衣康酸(Liao 和 Chang,2010)、尸胺(Qian 等,2010)、腐胺(Qian 等,2009)、紫杉二烯(Ajikumar 等,2010)和异戊二烯(Chang 和 Keasling,2006)。大多数合成途径需要内源性代谢物,如磷酸烯醇式丙酮酸、丙酮酸和乙酰辅酶 A。这三种代谢物也是 TCA 循环的前体。因此,这些化学品的生产与 TCA 循环竞争。为了提高所需合成途径的滴度和产量,通常会敲除编码竞争途径酶的基因。 然而,如上所述,由于与 TCA 循环相关的基因删除会对细胞生长和最终细胞密度产生负面影响,这些基因很少被用作提高目标化合物滴度和产量的删除候选目标。
我们聚焦于柠檬酸合酶(CS)(EC 2.3.3.1)作为基因表达条件抑制的模型候选。CS 催化一分子乙酰-CoA 与一分子草酰乙酸缩合生成一分子柠檬酸的反应。作为 TCA 循环的起始反应,CS 是该循环中的关键酶(Davis 和 Gilvarg,1956),对细菌生长至关重要。由于其对细菌生长的负面影响,编码 CS 的 gltA 基因在代谢工程中尚未被利用。删除 gltA 的 E. coli 在 M9 基本培养基中无法生长,即使有充足的葡萄糖作为碳源(Fisher 等,2011;Mainguet 等,2013)。然而,在细菌充分生长后对 gltA 表达的条件抑制,可以将 TCA 循环的通量转向期望的生物生产途径。为此,合成的双稳态基因切换开关显得前景广阔。基因切换开关模仿了用于在噬菌体 lambda 中切换裂解生命周期和溶源生命周期的基因调控系统(Gardner 等,2000)。 因此,基因切换开关可用于在两个不同基因之间切换表达状态。
2. Materials and methods 2. 材料与方法
2.1. Chemicals and regents
2.1. 化学品和试剂
所有化学品均购自 Sigma-Aldrich(圣路易斯,密苏里州)、和光纯药工业株式会社(大阪,日本)或 MP Biomedicals(索伦,俄亥俄州),除非另有说明。
2.2. Culture medium and conditions
2.2. 培养基和条件
对于质粒制备,大肠杆菌菌株在试管中使用 3 mL Luria-Bertani (LB) 培养基,在 37°C 的旋转摇床(250 rpm)中培养。所有摇瓶培养均以 1% (v/v) 的接种量从含有 10 g L −1 葡萄糖和 10 ppm 盐酸硫胺素的 3 mL 改良 M9 基本培养基开始。过夜培养在 37°C 的旋转摇床(250 rpm)中震荡。除异丙醇生产菌株外,所有菌株均在含有 10 g L −1 葡萄糖的 20 mL M9 基本培养基中培养,并在 30°C 的旋转摇床(250 rpm)中震荡。对于异丙醇生产培养,使用含有 20 g L −1 葡萄糖的 M9 基本培养基,菌株在 30°C 的旋转摇床(250 rpm)中震荡。
2.3. Strains and plasmids
2.3. 菌株和质粒
所有使用的大肠杆菌菌株和质粒均列于表 1 中。大肠杆菌 DH5alphaZ1(Lutz 和 Bujard,1997)用于制备所有质粒。所有大肠杆菌菌株均基于 BW25113、JW0336(ΔlacI)和 JW0710(ΔgltA)构建。通过使用质粒 pCP20(Datsenko 和 Wanner,2000)从 JW0336 中去除卡那霉素标记,获得了菌株 TA1015。使用 JW0710 作为供体菌株,通过 P1 转导从 TA1015 中敲除了 gltA 基因。所得菌株为 TA1116。通过使用质粒 pCP20 从 TA1116 中去除卡那霉素标记,获得了 TA1184。lacI q 使用引物 T329(5′-GCCAT CCTCG AGCGT TGACA CCATC GAATG GTGCA AAACC-3′)和 T330(5′-GCCAT CGGAT CCTCA CTGCC CGCTT TCCAG TCG-3′)从 pZS4INT-laci/tetR(Lutz 和 Bujard,1997)中扩增。扩增的 PCR 产物用 XhoI 和 BamHI 消化,并插入到 pZS ⁎ 24MCS(Lutz 和 Bujard,1997)的 XhoI 和 BamHI 位点。所得质粒为 pTA216。将 pTA216 引入 TA1015 和 TA1184 中,用于 lacI 的组成型表达。所得菌株分别为 TA1041 和 TA1334。 P L tetO 1 片段连接色氨酸终止子(T trp )从 pZA31-luc(Lutz 和 Bujard, 1997)使用引物 T417(5′-GCCAT CAAGC TTAGC CCGCC TAATG AGCGG GCTTT TTTTT TCTAG ATCCC TATCA GTGAT AGAGA TTGAC ATCCC T-3′)和 T349(5′-GCCAT CGGAT CCTTT CTCCT CTTTA ATGAA TTCGG TCAGT GC-3′)扩增。扩增的 PCR 片段用 HindIII 和 BamHI 消化并插入到 pZE22-MCS(Lutz 和 Bujard, 1997)的 HindIII 和 BamHI 位点。得到的质粒为 pTA646。tetR 从 pZS4INT-laci/tetR(Lutz 和 Bujard, 1997)使用引物 T939(5′-GCCAT CGGTA CCATG GCTGG TTCTC GCAGA AAGAA AC-3′)和 T940(5′-GCCAT CGGGC CCTA AGACC CACTT TCACA TTTAA GTTGT TTTTC-3′)扩增。扩增的 PCR 片段用 Acc65I 和 ApaI 消化并插入到 pTA646 的 Acc65I 和 ApaI 位点。得到的质粒为 pTA649。带有 LAA 降解标签序列的 gltA(Prindle 等, 2011, Keiler 等, 1996)(gltA.LAA)从 BW25113 基因组使用引物 T1042(5′-GCCAT CGGAT CCATG GCTGA TACAA AAGCA AAACT CACC-3′)和 T1045(5′-GCCAT CACGC GTTTA AGCTG CTAAA GCGTA GTTTT CGTCG TTTGC TGCAC GCTTG ATATC GCTTT TAAAG TCGC-3′)扩增。 扩增的 PCR 片段用 BamHI 和 MluI 消化,并插入到 pTA649 中 P L tetO 1 启动子下的 BamHI 和 MluI 位点。所得质粒为 pTA659。为了将 pTA659 中的复制起点(从而改变拷贝数)从 ColE1 更改为 p15A,通过将 pZA22-MCS(Lutz 和 Bujard,1997)的 AvrII-SacI 片段插入 pTA659 的 AvrII-SacI 位点,产生了 pTA669。为了构建中等拷贝数的空切换载体,通过将 pZA22-MCS(Lutz 和 Bujard,1997)的 AvrII-SacI 片段插入 pTA649 的 AvrII-SacI 位点,产生了 pTA695。pTA669 和 pTA659 分别被引入 TA1334 和 1041。所得菌株分别命名为 TA1357 和 TA1414。为了生产异丙醇,将包含异丙醇生产途径基因的 pTA147(Soma 等,2012)引入 TA1357 和 TA1414。所得菌株分别为 TA1415 和 TA1424。
Table 1. Bacterial strains and plasmids used in this study.
表 1. 本研究中使用的细菌菌株和质粒。
Strains/plasmid 菌株/质粒 | Relevant characteristics 相关特性 | References/source 参考文献/来源 |
---|---|---|
E. coli strains E. coli 菌株 | ||
BW25113 | lacIq rrnBT14 ΔlacZWJ16 hsdR514 ΔaraBADAH33 ΔrhaBADLD78 | Datsenko and Wanner (2000) Datsenko 和 Wanner(2000) |
JW0336 | BW25113 ΔlacI785::kanR | Baba, 2006 爸爸,2006 |
JW0710 | BW25113 ΔgltA770:: kanR | Baba, 2006 爸爸,2006 |
TA1015 | Same as JW0336 but was removed kanR 与 JW0336 相同,但删除了 kan R | |
TA1116 | TA1015ΔgltA770:: kanR | This study 本研究 |
TA1184 | Same as TA1116 but was removed kanR 同 TA1116,但已移除 kan R | This study 本研究 |
TA1041 | TA1015/pTA216 | This study 本研究 |
TA1334 | TA1184/pTA216 | This study 本研究 |
TA1357 | TA1334/pTA669 | This study 本研究 |
TA1414 | TA1041/pTA695 | This study 本研究 |
TA1415 | TA1357/pTA147 | This study 本研究 |
TA1424 | TA1414/pTA147 | This study 本研究 |
Plasmids 质粒 | ||
pTA16 | pZA31luc (p15A, cmR, PLtetO1::luc) | EXPRESSYS |
pTA43 | pZE22luc (ColE1, kanR, PLlacO1::luc) | EXPRESSYS |
pTA154 | pZA21MCS (p15A, kanR, PLtetO1::MCS1) | EXPRESSYS |
pTA157 | pZS⁎24MCS (pSC101⁎, kanR, Plac/ara-1::MCS1) | EXPRESSYS |
pTA158 | pZS4INT-laci/tetR (pSC101, specR, PlacIq::lacI, PN25::tetR) pZS4INT-laci/tetR (pSC101, 抗性标记 R , 启动子 lacI q ::lacI, PN25::tetR) | EXPRESSYS |
pTA215 | p15A, cm R, PlacIq::lacI | This study 本研究 |
pTA216 | pSC101⁎, cmR, PlacIq::lacI | This study 本研究 |
pTA646 | ColE1, kanR, PLlacO1::MCS, PLtetO1::MCS | This study 本研究 |
pTA649 | ColE1, kanR, PLlacO1::tetR, PLtetO1::MCS | This study 本研究 |
pTA659 | ColE1, kanR, PLlacO1::tetR, PLtetO1::gltA.LAA | This study 本研究 |
pTA695 | p15A, kanR, PLlacO1::tetR, PLtetO1::MCS | This study 本研究 |
pTA669 | p15A, kanR, PLlacO1::tetR, PLtetO1::gltA.LAA | This study 本研究 |
pTA147 | ColE1, ampR, PLlacO1::thlA, atoAD, adc, Cbadh | Soma et al. (2012) Soma 等人(2012) |
缩写:Amp,氨苄青霉素;Kan,卡那霉素;Spec,壮观霉素;Cm,氯霉素;R,抗性。
2.4. Citrate synthase assay
2.4. 柠檬酸合酶测定
从 10 mL 培养液中通过 5000×g 离心 10 分钟收集细胞。将沉淀悬浮于 2 mL 含有 1 mM EDTA、10 mM MgCl 2 和 0.1 M KCl 的 120 mM Tris/HCl (pH 8.0)缓冲液中,并在冰上进行超声处理。以 25,000×g 离心 15 分钟后,上清液用于酶活性测定(Bloxham 等,1983)。粗提物的蛋白质浓度通过 280 nm 处的吸光度测定。柠檬酸合酶(gltA 基因产物)的活性使用柠檬酸合酶测定试剂盒(Sigma-Aldrich, St. Louis, MO)进行测定。酶反应通过向反应混合物(0.5 mM 草酰乙酸(OXA)和 0.1 mM 5,5′-二硫代双(2-硝基苯甲酸)(DTNB)在 100 mM Tris–HCl (pH 7.5)中)添加 0.3 mM 乙酰辅酶 A 启动。通过辅酶 A 与 DTNB 反应生成硫代硝基苯甲酸(TNB)来监测酶反应。一个柠檬酸合酶单位定义为每分钟将 1.0 µmole DTNB 转化为 TNB(Bloxham 等,1983)。使用 Infinity 200 pro 酶标仪(TECAN, Männedorf, Switzerland)监测 412 nm 处的吸光度。
2.5. Measurement of extracellular metabolites
2.5. 细胞外代谢物的测量
使用 SpectraMax M2 96 孔板阅读器(Molecular Devices,联合城,加利福尼亚州)测量细菌培养物在 600 nm 处的光密度(OD 600 )。从 OD 600 计算干细胞重量(DCW)(OD 600 =0.25 g DCW L −1 )。为了定量细胞外代谢物,将 1 ml 细菌培养液在微型离心机中以 13,000xg 离心 1 分钟,上清液通过 0.2 µm 注射器过滤器过滤,用于 HPLC 和 GC 分析。产生的醇类化合物使用配备火焰离子化检测器的 GC 进行定量,如先前报道(Hanai 等,2007)。发酵副产物(α-酮戊二酸、丙酮酸、柠檬酸、乳酸、乙酸、甲酸、富马酸、苹果酸和琥珀酸)使用 HPLC 系统进行有机酸分析(Shimadzu Scientific Instruments, Inc.,京都,日本),配备离子排斥色谱柱(Showdex RSpak KC-811,昭和电工株式会社,东京,日本)和电导检测器(Shimadzu CCD-10 A vp)。流动相为 5.0 mM 对硝基苯磷酸盐,流速为 1.0 mL/min,柱温保持在 40°C。 使用配备有配体交换色谱柱(Showdex SP0810,昭和电工株式会社,东京,日本)和差示折光检测器(Shimadzu RID-10A)的 HPLC 系统(岛津科学仪器公司,京都,日本)对细胞外葡萄糖进行定量分析。流动相为 MilliQ 水,流速为 1.0 mL/min,色谱柱保持在 80°C。理论最大乙酸产率定义为每消耗 1 摩尔葡萄糖产生 2 摩尔乙酸。理论最大异丙醇产率定义为每消耗 1 摩尔葡萄糖产生 1 摩尔异丙醇。
2.6. Measurement of intracellular metabolites
2.6. 细胞内代谢物的测量
TA1357 菌株在含有 10 g/L 葡萄糖和 10 ppm 盐酸硫胺素的 20 mL M9 培养基中,在 30°C 的旋转摇床(250 rpm)中培养。在 9 小时时加入 0.1 mM IPTG 以关闭 TA1357 细胞中的 gltA 基因表达。分别在 3 小时和 23 小时通过快速真空过滤使用膜过滤器(Omnipore,0.45 μM,25 毫米直径聚四氟乙烯,Millipore,Billerica,MA)收集细胞。每个过滤器转移到 15 mL 离心管中,立即用液氮淬灭,并储存在-80°C,直到用于代谢物提取。细胞内代谢物通过冻干细胞使用氯仿-甲醇-水法提取(Hasunuma 等,2011)。提取物的水相(300 μL)在真空下干燥并储存在-80°C,直到分析。干燥的提取物溶解在 50 μL MilliQ 水中,然后应用于 LC-QqQ-MS 系统(高效液相色谱:Agilent 1290 Infinity,质谱:Agilent 6460 with Jet Stream Technology)(安捷伦科技,Waldbronn,德国),由 MassHunter Workstation 数据采集软件(安捷伦科技,Waldbronn,德国)控制。 LC–QqQ–MS 分析采用先前描述的条件进行(Kato 等人,2012 年)。
3. Results 3. 结果
3.1. Construction of the genetic toggle switch and regulation of gltA expression
3.1. 遗传切换开关的构建与 gltA 表达的调控
所有细菌培养物均采用含有 10 或 20 g/L 葡萄糖的 M9 最小培养基,通过批量瓶发酵进行培养。gltA 缺失的大肠杆菌菌株 JW0710(BW21553 ΔgltA::kan)、TA1116(BW21553 ΔlacI ΔgltA::kan)和 TA1184(BW21553 ΔlacI ΔgltA)在这些培养条件下未显示生长。然而,当 M9 培养基补充 1%(w/v)酪蛋白氨基酸或 LB 培养基时,这些ΔgltA 菌株显示出与野生型和ΔlacI 菌株 JW0336 相似的生长曲线。在ΔgltA 菌株的粗细胞提取物中未检测到 CS 活性。合成的 gltA 关闭开关在 TA1184 中构建,并测定了 CS 活性(图 3)。gltA 的关闭是由 TetR 阻遏物抑制 P tetO 启动子(Lutz 和 Bujard,1997)的 gltA 转录引起的。TetR 阻遏物由 tetR 编码,受 P lacO 启动子调控,其表达通过添加 0.1 mM IPTG 诱导(图 1-B)。在没有 IPTG 的情况下,含有 gltA 关闭开关的中等拷贝质粒的 TA1357(ΔlacI ΔgltA/pTA216, pTA669)(图 2-A)的 CS 活性比对照菌株 TA1414(ΔlacI/pTA216, pTA695)(图)高 2.8 倍。 2-A) 其中 CS 由天然染色体 gltA 表达。TA1357 的最终细胞密度与 TA1414 相当(TA1414=0.27±0.01,TA1357=0.28±0.01 g DCW L −1 )。当在培养 9 小时后向 TA1357 添加 0.1 mM IPTG 时,其 CS 活性在 4 小时内下降了 93%(图 3-A)。此外,在存在 IPTG 的情况下,TA1357 在对数生长期(11-13 小时)的比生长速率比未添加 IPTG 的 TA1414 和 TA1357 降低了约 67%(TA1414=0.12±0.01,TA1357_IPTG (−)=0.13±0.01,TA1357_IPTG 9 h=0.08±0.00 g DCW −1 h −1 )。在没有 IPTG 的情况下,TA1357 和 TA1414 的 CS 活性一直保持到对数生长后期(约 21 小时)。这些结果表明,gltA 的表达被合成的 gltA 关闭开关关闭,导致 CS 活性有效条件性消失。

Fig. 1. Conditional switching strategy for metabolic flux redirection using metabolic toggle switch. (A) Competitive relationship between synthetic production pathways and TCA cycle-dependent bacterial growth. Excess activity of the TCA cycle decreases production titer and yield of the target product because of insufficient flux into the production pathway. (B) Design of the metabolic toggle switch. The construction of the novel genetic toggle switch was divided into three parts, designated “Repressor source” (Rs)=pTA216, “Switching plasmid” (Swp)=pTA669, and “Isopropanol pathway”=pTA147. LacI repressor from pTA216 inhibits transcription from the PLlacO1 promoter of Swp. When transcription by the PLlacO1 promoter is induced by the addition of IPTG, expression of tetR is promoted and expression of gltA under the PLtetO1 promoter is inhibited by the TetR repressor.
图 1. 使用代谢切换开关进行代谢流重定向的条件切换策略。(A) 合成生产途径与依赖 TCA 循环的细菌生长之间的竞争关系。TCA 循环的过度活动会因进入生产途径的流量不足而降低目标产品的产量和产率。(B) 代谢切换开关的设计。新型遗传切换开关的构建分为三部分,分别称为“阻遏源”(Rs)=pTA216,“切换质粒”(Swp)=pTA669,以及“异丙醇途径”=pTA147。来自 pTA216 的 LacI 阻遏物抑制 Swp 的 P L lacO 1 启动子的转录。当通过添加 IPTG 诱导 P L lacO 1 启动子的转录时,tetR 的表达被促进,而 P L tetO 1 启动子下的 gltA 表达被 TetR 阻遏物抑制。

Fig. 2. Profiles of strains used in this study. (A) Strains used for the verification of the effect of gltA OFF switch on the growth, glucose consumption and acetate production. (B) Strains used for the isopropanol production.
图 2. 本研究中使用的菌株概况。(A) 用于验证 gltA OFF 开关对生长、葡萄糖消耗和乙酸生产影响的菌株。(B) 用于异丙醇生产的菌株。

Fig. 3. Conditional citrate synthase activity regulation by switching gltA OFF. (A) Bacterial growth in M9 medium containing 10 g L−1 glucose. (B) Time course of citrate synthase activity. Open circles indicate TA1414. Open squares indicate TA1357 in the absence of IPTG. Closed squares indicate TA1357 with switching gltA OFF at 9 h. Each error bar shows standard deviation of the data (n=3).
图 3. 通过关闭 gltA 实现的条件性柠檬酸合酶活性调控。(A) 细菌在含 10 g L −1 葡萄糖的 M9 培养基中的生长情况。(B) 柠檬酸合酶活性的时间进程。空心圆表示 TA1414。空心方块表示未添加 IPTG 的 TA1357。实心方块表示在 9 小时时关闭 gltA 的 TA1357。每个误差条显示数据的标准偏差(n=3)。
3.2. Effect of switching gltA OFF on growth, glucose consumption and acetate production
3.2. 关闭 gltA 对生长、葡萄糖消耗和乙酸生成的影响
为了确认关闭 gltA 对生长、葡萄糖消耗和乙酸产量的影响,在不同时间点(0、6、9、12 和 15 小时)向 TA1357 培养物中添加了 IPTG。在不添加 IPTG 的情况下,TA1357 的生长、葡萄糖消耗和乙酸产量与对照菌株 TA1414 相似(图 4)。另一方面,添加 IPTG 抑制了 TA1357 的生长。特别是在较早的时间点(0、6 和 9 小时)添加 IPTG 有效地抑制了生长(图 4-A,表 2)。IPTG 添加的时间越晚,乙酸浓度的增加越小(图 4-C)。当在 0 小时向 TA1357 添加 IPTG 时,获得了最大的乙酸产量(67.1 mM);产生的乙酸量(产率为 73 mol/mol%(表 2))是 TA1414 的三倍多。对数生长期的乙酸产率是 TA1414 的 2.6 倍(表 S-1),而在稳定期则是 5.1 倍(表 S-1)。此外,在 TA1357 中关闭 gltA 导致丙酮酸的积累比 TA1414 高 26-50 倍(TA1357=5.2-10.0 mM,TA1414=~0.2 mM),而 TA1414 显示出 7.α-KG 的积累量比 TA1357 高 5 倍(TA1357≈1.3 mM,TA1414=9.7 mM)。这些结果表明,关闭 gltA 降低了流向 TCA 循环的代谢通量,导致生长抑制和乙酸产量增加。

Fig. 4. Effect of switching gltA OFF on bacterial growth, glucose consumption and acetate production. (A) Aerobic growth in M9 medium containing 20 g L−1 glucose. (B) Glucose consumption. (C) Acetate production. Each error bar shows standard deviation of the data (n=3).
图 4. 关闭 gltA 对细菌生长、葡萄糖消耗和乙酸产量的影响。(A) 在含有 20 g L −1 葡萄糖的 M9 培养基中的有氧生长。(B) 葡萄糖消耗。(C) 乙酸产量。每个误差条显示数据的标准偏差(n=3)。
Table 2. Comparison of fermentation data from different strains for endogenous acetate production.
表 2. 不同菌株内源性乙酸生产发酵数据的比较。
Empty Cell | Cell density 细胞密度 | Acetate 醋酸酯 | Yield 产量 |
---|---|---|---|
(g L−1) | (mM) | (mol/mol%) | |
TA1357_0 h | 1.1±0.1 | 67.1±1.2 | 73.1±6.3 |
TA1357_3 h | 1.1±0.0 | 61.4±6.8 | 65.3±5.1 |
TA1357_6 h | 1.0±0.1 | 60.7±2.7 | 62.7±3.1 |
TA1357_9 h | 1.0±0.0 | 52.2±3.1 | 42.8±0.7 |
TA1357_12 h | 1.2±0.0 | 39.9±0.4 | 32.3±1.4 |
TA1357_15 h | 1.2±0.0 | 29.4±1.5 | 23.9±1.3 |
TA1357_18 h | 1.2±0.0 | 27.3±2.0 | 23.6±1.0 |
TA1357 (−) | 1.4±0.0 | 21.2±1.1 | 20.7±0.6 |
TA1414 | 1.4±0.0 | 21.4±0.8 | 17.3±0.7 |
3.3. Redistribution of intracellular metabolic flux associated with switching gltA OFF
3.3. 与关闭 gltA 相关的细胞内代谢通量重新分配
为了确认与关闭 gltA 相关的细胞内代谢物变化,9 小时时向 TA1357 添加了 IPTG;在切换前后(3 小时和 23 小时)收集细胞进行 LC-MS 分析。同时,未添加 IPTG 的 TA1414 和 TA1357 细胞也在相同时间点被收集。如图 5 所示,无论是否添加 IPTG,两种菌株在糖酵解前 5 步的中间代谢物细胞内浓度在采样点均未发生显著变化。另一方面,糖酵解剩余步骤及 TCA 循环中的代谢物浓度随着培养阶段的进展显著变化,且明显观察到是否关闭 gltA 带来的差异。未关闭 gltA 的 TA1414 和 TA1357(IPTG − )细胞内柠檬酸水平从 3 小时到 23 小时分别增加了 3.0 倍和 6.3 倍。相比之下,关闭 gltA 的 TA1354(IPTG + )细胞内柠檬酸水平下降了 85%,相当于 TA1414 细胞内柠檬酸水平的 3.6%。对于由柠檬酸产生的α-KG,这些菌株中也观察到了类似的趋势。 关闭 gltA 后,TA1357 的细胞内α-KG 水平在 23 小时时降至 TA1414 的 5.2%。关闭 gltA 后,TA1357 的乙酰-CoA 水平增加到 TA1414 的 3.2 倍,这与观察到的细胞内柠檬酸水平显著下降形成对比。很可能过度积累的乙酰-CoA 被用作乙酸生产的前体。丙酮酸作为乙酰-CoA 的前体,在所有菌株和条件下随着培养阶段的进展而增加。关闭 gltA 后,TA1357 的丙酮酸积累远高于其他菌株和条件,是 TA1414 的 15.9 倍。这些结果表明,通过关闭 gltA 实现了碳通量从 TCA 循环的重新分配。

Fig. 5. Intracellular metabolites measured by LC–MS analysis. Concentrations of intracellular metabolites in central metabolic pathways were measured by LC–MS. Each graph compares intracellular metabolite concentration between TA1414 and TA1357 with or without switching gltA OFF. Black bars indicate the concentration of each metabolite in TA1357 with switching gltA OFF at 9 h. Gray bars indicate the concentration of each metabolite in TA1357 without switching gltA OFF. White bars indicate the concentration of each metabolite in TA1414. The horizontal axes indicate the time of sampling and the longitudinal axes indicate intracellular metabolite concentration. Each error bar shows standard deviation of the data (n=3).
图 5. 通过 LC-MS 分析测定的细胞内代谢物。通过 LC-MS 测定了中心代谢途径中细胞内代谢物的浓度。每个图表比较了在关闭或未关闭 gltA 情况下 TA1414 和 TA1357 之间的细胞内代谢物浓度。黑色条表示在 9 小时时关闭 gltA 的 TA1357 中每种代谢物的浓度。灰色条表示未关闭 gltA 的 TA1357 中每种代谢物的浓度。白色条表示 TA1414 中每种代谢物的浓度。横轴表示采样时间,纵轴表示细胞内代谢物浓度。每个误差条显示了数据的标准偏差(n=3)。
3.4. Isopropanol production by switching gltA OFF
3.4. 通过关闭 gltA 生产异丙醇
如上所述,我们通过关闭 gltA 中断了 TCA 循环,从而提高了乙酸盐的产量。为了展示代谢流从中心代谢途径向合成途径的重新定向,我们构建了一个代谢切换开关,该开关能够同时关闭 gltA 的表达并启动异丙醇合成途径基因的表达(图 1,图 2-B)。在 TA1415 中(图 2-B),通过在 0、6、9、12 和 15 小时添加 0.1 mM IPTG 来诱导切换(异丙醇生产途径中的酶表达和关闭 gltA)。TA1424 作为对照菌株,是一种携带空载体(无 gltA 的切换质粒)的野生型菌株(图 2-B),并具有异丙醇生产途径。TA1424 的异丙醇生产途径在 OD 600 =0.6(6 小时)时被诱导。在 TA1415 中对数生长早期(0、6 和 9 小时)启动关闭 gltA 抑制了细菌的生长(图 6-A)。除了在 0 小时添加 IPTG 的情况外,TA1415 在 22 小时内进入稳定期;在此情况下,由于比生长速率显著下降,需要 49 小时才能达到稳定期。 在这些发酵条件下,TA1424 产生了 13.7 mM 的异丙醇(图 6-C)。如图 6-C 所示,在 IPTG 存在的情况下,TA1415 的异丙醇产量有所提高。特别是在对数生长早期关闭 gltA 对异丙醇产量有显著的正面影响。当在 0、6 和 9 小时添加 IPTG 时,最终的异丙醇浓度分别为 45.7±1.4、48.3±0.1、50.9±1.5 mM。这些产量相当于 TA1424 产量的 3.3 到 3.7 倍。当在对数生长中期(12 小时)添加 IPTG 时,异丙醇产量提高了至 TA1424 的 2.3 倍(表 3)。即使在对数生长后期(15 小时)添加 IPTG,TA1415 产生的异丙醇浓度(20.5±1.9 mM)也高于 TA1424。如表 3 所示,通过在对数生长早期切换,异丙醇对葡萄糖的产率也有所提高:最高可达 TA1424 的 2.8–3.1 倍。这一证明表明,代谢切换开关通过中断 TCA 循环引起的代谢流重定向,有助于提高异丙醇的产量和产率。 在早期对数生长期进行切换对异丙醇生产的改善具有特别强烈的影响。

Fig. 6. Effect of the metabolic toggle switch on bacterial growth, glucose consumption and isopropanol production. (A) Aerobic growth in M9 medium containing 10 g L−1 glucose. (B) Glucose consumption. (C) Isopropanol production. Each error bar shows standard deviation of the data (n=3).
图 6. 代谢切换开关对细菌生长、葡萄糖消耗和异丙醇生产的影响。(A) 在含有 10 g L −1 葡萄糖的 M9 培养基中的有氧生长。(B) 葡萄糖消耗。(C) 异丙醇生产。每个误差条显示数据的标准偏差(n=3)。
Table 3. Comparison of fermentation data from different strains for isopropanol production.
表 3. 不同菌株生产异丙醇的发酵数据比较。
Empty Cell | Cell density 细胞密度 | Isopropanol 异丙醇 | Yield 产量 |
---|---|---|---|
(g L−1) | (mM) | (mol/mol%) | |
TA1415_0 h | 1.1±0.0 | 45.7±1.4 | 44.7±2.3 |
TA1415_6 h | 1.1±0.0 | 48.3±0.1 | 47.3±0.5 |
TA1415_9 h | 1.2±0.0 | 50.9±1.5 | 48.5±1.4 |
TA1415_12 h | 1.4±0.0 | 38.1±4.2 | 36.2±4.2 |
TA1415_15 h | 1.5±0.0 | 20.5±1.9 | 20.5±1.7 |
TA1424 | 1.3±0.0 | 13.7±0.3 | 15.8±0.1 |
4. Discussion 4. 讨论
在化合物的生物基生产中,细菌生长和/或细胞维持途径与所需生产途径之间的竞争关系通常会导致目标化合物的滴度和产量降低。特别是,进入 TCA 循环的碳通量与需要 TCA 循环中重要前体(如乙酰-CoA、丙酮酸和磷酸烯醇丙酮酸)的生物基生产途径显著竞争。在传统的代谢工程中,这些对细菌生长必需的竞争途径无法通过基因敲除策略消除。在本研究中,我们开发了一种合成基因电路作为代谢工程工具,通过条件性中断目标代谢途径来实现设计的代谢通量重定向。
TA1357 中催化 TCA 循环第一步的 CS 酶活性在添加 IPTG 后迅速下降,导致比 TA1414 相比比生长速率下降了 67%。这一结果表明,在有氧条件下通过 gltA 关闭开关调节 TCA 循环可以控制细菌生长。然而,关闭 gltA 后 CS 活性仍保持在 TA1414 的 17.5%。为了完全阻止碳流入 TCA 循环,需要严格调控 CS 活性。在本研究中,我们利用合成遗传电路的传统研究结果,并在 CS 的 C 端添加了 AANDENYALAA 标签以消除关闭后的残留酶活性(Prindle 等,2011;Keiler 等,1996)。然而,这种降解标签对包括 CS 在内的个别酶的效果尚未得到研究,因此其有效性需要验证。除了使用 C 端降解标签的方法外,据报道,在大肠杆菌中,N 端具有不稳定氨基酸残基的蛋白质会被 ClpAP 蛋白酶降解(Dougan 等,2012)。 需要进一步努力,以提高利用此类蛋白质工程修饰的合成基因电路的响应性和可操作性。
为了实现细菌生长阶段和生产阶段碳源的高效利用,通过使用合成切换开关关闭 gltA,有条件地中断了 TCA 循环。正如预期的那样,关闭 gltA 通过中断碳流向 TCA 循环来抑制需氧细菌的生长,并将多余的碳流重新分配到内源性乙酸生产途径中。因此,积累的乙酰辅酶 A 池可用于乙酸生产,以补偿 TCA 循环的 ATP 合成。此外,在 TA1414 的静止期培养物中检测到了α-KG,但在关闭 gltA 的 TA1357 培养物中未检测到。这表明即使在静止期,TCA 循环的某些活性仍然存在,并与乙酸生产竞争。根据这些结果,关闭 gltA 通过在指数期和静止期中断 TCA 循环,有效上调了乙酸生产的碳流。
CS 活性通常被细胞内 NADH 通过变构作用抑制(Nguyen et al., 2001, Duckworth and Tong, 1976)。然而,在 TA1414 中,即使在静止期,柠檬酸合成和随后的 TCA 循环活性仍然存在。这一结果表明,细胞内 NADH 不足以调节 TCA 循环活性。另一方面,糖酵解途径中的关键酶,如磷酸果糖激酶 I 和丙酮酸激酶 II,通过 ATP/ADP 比率的降低而变构激活(Kotlarz et al., 1975, Babul, 1978)。尽管 TA1414 在进入静止期时葡萄糖消耗减少,但在 TA1357 中通过关闭 gltA 并未观察到这种变化(表 S-1)。这些结果表明,细胞内 ATP 合成随着条件性 TCA 循环中断而减少。因此,在 TA1357 中关闭 gltA 时,通过乙酸生产增强 ATP 合成。在ΔatpA 菌株中也观察到了乙酸生产和葡萄糖消耗的改善,这些菌株缺乏编码电子传递链中负责 ATP 生产的 F1-ATP 酶α亚基的基因(Noda et al., 2006)。
对细胞内代谢物进行了定量分析,以确认关闭 gltA 对糖酵解及 TCA 循环的细胞内代谢状态的影响。未关闭 gltA 时,TA1357 展现出与 TA1414 相似的细胞内代谢状态。相比之下,当对 TA1357 执行关闭 gltA 操作后,柠檬酸和α-酮戊二酸显著下降至 TA1414 的 3.6%和 5.2%,而丙酮酸和乙酰辅酶 A(柠檬酸合成上游代谢物)则分别增加至 TA1414 的 15.9 倍和 3.2 倍。这些结果证明了关闭 gltA 有效地中断了 TCA 循环,并将代谢流从 TCA 循环重定向至乙酸生产途径。
为了展示使用代谢切换开关在生物生产中的改进,累积的乙酰-CoA 被用作工程改造的大肠杆菌生产异丙醇的起始代谢物。正如预期的那样,切换提高了异丙醇的产量和产率。当在生长对数期的早期和中期触发切换时,改进尤为显著。如果在 0 小时进行切换,细菌生长会受到显著抑制,直到 22 小时才观察到异丙醇的生产。这种显著的生长抑制和异丙醇生产的延迟可能是由于异丙醇生产酶过度表达的负担所致。这种负担的产生是因为细菌生长和蛋白质生物合成都依赖于氨基酸的生物合成。由于 TCA 循环负责与细菌生长相关的氨基酸(如谷氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸和天冬酰胺)的生物合成,在培养开始时中断 TCA 循环会减缓生长和异丙醇的生产。 因此,与缺乏异丙醇生产途径的情况相比,当在 9 小时进行切换时,观察到异丙醇生产滴度的最佳改善(图 6-C)。当在 6 小时添加 IPTG 时,特定葡萄糖消耗速率比在 9 小时添加 IPTG 的情况快 1.5 倍(表 S2)。结果,TA1415_IPTG 6 h 在 38 小时时的葡萄糖消耗量比 TA1415_IPTG 9 h 高 12 mM(图 6-B)。这种葡萄糖消耗的改善并未促进 TA1415_IPTG 6 h 的异丙醇生产。相反,TA1415_IPTG 6 h 的乙酸盐产量比 TA1415_IPTG 9 h 高 11.3 mM(数据未显示)。为了有效重定向多余的碳通量,除了优化目标基因动态控制的时机外,删除竞争途径也很重要。
TA1415 显示出与 TA1424 相当的生长情况,其异丙醇的生产滴度和产量分别达到了 TA1424 的 3.7 倍和 3.1 倍。这一结果证明了通过将碳流从中枢代谢途径转向目标合成代谢途径,开关能够提高乙酰-CoA 的生物生产滴度和产量。提高异丙醇生产的产量和滴度已在多种宿主生物如假丝酵母和梭菌中进行了尝试(Tamakawa 等人,2013;Dusséaux 等人,2013)。在这些报告中,通过上调异丙醇生产基因和删除竞争性副产物途径如乙醇和乙酸盐,生产滴度提高了 1.3-1.5 倍。结合这些代谢工程努力和 gltA OFF 开关,异丙醇生产的效率有望得到进一步提升(表 3)。 迄今为止,作为发酵工程的一项努力,已经采用了由需氧细胞生长阶段和厌氧生产阶段组成的两阶段发酵过程,以将碳通量从 TCA 循环转向负责生产目标化合物(如丙氨酸、乳酸和琥珀酸)的代谢途径(Zhang 等,2007;Zhou 等,2012;Jiang 等,2010)。然而,这些过程无法应用于仅通过需氧发酵生产的产品,如异丙醇。
在本研究中,我们构建了一种工程化大肠杆菌中的代谢切换开关,作为一种新颖的条件敲除方法应用于代谢工程,并将其应用于异丙醇的生产。结果发现,在细菌充分生长后,进入 TCA 循环的碳流被中断,多余的碳流被重新导向合成的异丙醇生产途径。使用这种代谢切换开关展示了一种新颖的方法,通过直接调控特定代谢流,有意在细菌生长阶段到生物生产阶段之间适当地切换细胞内代谢。这是一种通用策略,可应用于其他生物生产,以增强向合成代谢途径的代谢流,同时最小化对细菌生长和细胞维持的负面影响。未来,对敏感响应的进一步调整和 gltA 表达水平的优化将有助于在产量和收率方面实现进一步的生产改进。
Acknowledgments 致谢
本研究得到了 JSPS 创新领域科学研究补助金(编号 23119002)的支持。我们要感谢加州大学戴维斯分校的 S. Atsumi 提供的有益建议。
Appendix A. Supplementary materials
附录 A. 补充材料
Supplementary Material
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