3-羥基丙酸，作為美國(guó)能源部公布的12種高附加值生物基平臺(tái)化學(xué)品之一，結(jié)構(gòu)的特殊性使其成為合成多種化合物的前體物質(zhì)，利用廉價(jià)的生物質(zhì)原料進(jìn)行微生物合成3-羥基丙酸是代謝工程領(lǐng)域熱門研究方向之一。中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所大宗化學(xué)品團(tuán)隊(duì)近日在低成本高效生物合成3-羥基丙酸的關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破。

　　來源于嗜熱自養(yǎng)型古細(xì)菌Chloroflexus aurantiacus的雙功能酶——丙二酸單酰輔酶A還原酶（MCR）是3-羥基丙酸合成新途徑中的關(guān)鍵酶，自身具有醛脫氫酶和醇脫氫酶的功能，催化兩步反應(yīng)，將脂肪酸合成的前體物質(zhì)丙二酸單酰輔酶A 經(jīng)中間體丙二酸半醛轉(zhuǎn)化為3-羥基丙酸。科研人員通過對(duì)該蛋白序列的分析，將MCR蛋白成功拆分為MCR-C和MCR-N兩部分，每個(gè)部分可獨(dú)立催化一步反應(yīng)。更為重要的是，拆分后的蛋白對(duì)底物丙二酸單酰輔酶A有著更高的親和力，酶活力遠(yuǎn)高于野生型MCR，同時(shí)3-羥基丙酸產(chǎn)量也得到了一定提高。以往的代謝工程中，將催化相鄰反應(yīng)的酶構(gòu)建融合蛋白來提高催化效率是一種常用方法，而該研究提出了拆分多功能域蛋白以提高催化能力和產(chǎn)品產(chǎn)量的新思路，對(duì)更好地利用功能蛋白尤其是多功能酶類具有普遍的參考價(jià)值。

    將MCR拆分為兩個(gè)片段后，研究人員發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)MCR-C和MCR-N的催化能力嚴(yán)重失衡，是影響3-羥基丙酸產(chǎn)量的重要因素。為解決該問題，通過定向進(jìn)化將MCR-C蛋白的催化效率提升15倍，通過對(duì)兩個(gè)片段表達(dá)水平的精確調(diào)控實(shí)現(xiàn)了MCR-C和MCR-N的功能平衡，3-羥基丙酸的產(chǎn)量得到數(shù)百倍的增長(zhǎng)。結(jié)合發(fā)酵條件的優(yōu)化，以葡萄糖為唯一碳源時(shí)工程大腸桿菌的3-羥基丙酸產(chǎn)量由0.1 g/L提升到40.6 g/L，從根本上解決了該途徑3-羥基丙酸產(chǎn)量過低的問題。該成果近日在生物技術(shù)期刊Metabolic Engineering上在線發(fā)表。

　　上述工作得到中科院、山東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等支持。

　　　　　　　　　　　　　　　3-羥基丙酸的合成路線及MCR-C蛋白的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化過程