2023年7月26日-28日，Green Carbon首届编委会暨2023国际绿碳科学大会在青岛召开。Green Carbon编委、中国科学院天津工业生物技术研究所张学礼研究员应邀出席。
调控微生物细胞工厂还原力平衡，制造可再生化学品
研究背景
微生物细胞工厂实现了越来越多化学品的高效绿色生物制造，能够替代或部分替代不可再生的石油资源和稀有植物资源，推动重要化学品传统生产方式的变革。在化合物合成过程中，除了合成所必需的物质骨架之外，还需要消耗一定的还原力，只有实现还原力的需求与供给平衡才能达到理论最大转化率。然而，在自然条件下仅有少数情况能够实现还原力平衡（例如乙醇和乳酸合成），大部分化学品的合成都面临着还原力不平衡的问题，很难实现理论最大转化率。在本次邀请报告中，张学礼研究员系统介绍了课题组在调控微生物细胞工厂还原力平衡，制造可再生化学品方面的研究进展。
系统性还原力再生策略
不同化合物合成过程中所需还原力的类型及总量不尽相同，针对不同目标产品需要提供个性化解决方案。针对该问题，张学礼研究员团队开发了4种新的葡萄糖能量代谢改造策略，产生的NADH和NADPH的数量和类型各有不同，为实现细胞工厂还原力平衡问题提供了系统性解决方案。
策略 1-提供2分子NADPH
一些化合物合成过程中需要NADPH，如乙醇酸等。张学礼研究员团队将糖酵解途径中NAD⁺依赖型的3-磷酸甘油醛脱氢酶GapA替换为异源NADP⁺依赖型的GapC，成功实现了NADPH的生成，最终使葡萄糖到乙醇酸的转化率达到理论最大值的94.5%。
策略 2-提供1分子NADH和1分子NADPH
针对一些同时需要NADH和NADPH参与合成的化合物（例如异丁醇和缬氨酸等），张学礼研究员团队开发了两种策略。第一，通过激活转氢酶（PntAB）和NAD激酶（YfjB），能够有效增加NADPH的供应。第二，使用ED（Entner-Doudoroff）途径来替代糖酵解途径。ED途径每消耗1分子的葡萄糖能够产生1分子NADH和1分子NADPH。这两种策略均显著提高了异丁醇和缬氨酸的转化率，达到理论最大值的92%。
策略 3-提供2-3.67分子NADH
一些化合物的合成需要超过2个还原力，例如丁二酸。磷酸戊糖途径是还原力合成的重要方式，每个循环可以产生2个NADPH和1.67个NADH。张学礼研究员团队通过激活戊糖磷酸途径和可溶性转氢酶（SthA），并合理分配C6糖酵解和C5磷酸戊糖途径之间的碳代谢流，每消耗1分子的葡萄糖能够产生3.42分子NADH，最终使葡萄糖到丁二酸的转化率达到理论最大值的94%。
策略 4-提供6分子NADPH
葡萄糖完全氧化理论上可以产生12分子还原力。为有效提高碳源转化率，张学礼研究员团队设计了一种乙酸-葡萄糖协同利用体系，葡萄糖主要提供还原力，乙酸则为化学品合成提供主要碳骨架。通过阻断糖酵解途径中关键的磷酸果糖激酶，使碳代谢流向磷酸戊糖循环，通过多次循环，1分子的葡萄糖能够产生6分子的NADPH，并驱动6分子的乙醇酸合成。
除了上述调节葡萄糖能量代谢的策略之外，对于合成途径中的关键酶进行理性改造也是实现还原力平衡的一种有效方式。张学礼研究员团队通过引入以NAD⁺作为辅因子的外源L-丙氨酸脱氢酶，实现了L-丙氨酸合成途径的还原力平衡，L-丙氨酸转化率可达理论最大值的95%。
产业化应用情况
最后，张学礼研究员对上述技术的产业化情况进行了介绍。基于系统的细胞工厂设计构建与工艺开发，已完成14个化学品的技术开发并达成合作，其中有4个已经实现了万吨级产业化，包括L-丙氨酸、缬氨酸、丁二酸和D-乳酸。张学礼研究员团队与安徽华恒生物科技股份有限公司合作，成功实现了L-丙氨酸和缬氨酸的产业化，L-丙氨酸年产量达到3万吨，缬氨酸年产量达到2万吨；与山东兰典生物科技股份有限公司合作，实现了丁二酸的产业化，年产量达到2万吨；与山东寿光巨能金玉米开发有限公司合作，实现了D-乳酸的产业化，年产量达到1万吨。
张学礼 研究员
张学礼，中国科学院天津工业生物技术研究所研究员、博士生导师、国家自然科学基金委杰出青年基金和优秀青年基金获得者、Green Carbon编委。2005年在上海交通大学获得博士学位，2005-2007年在美国佛罗里达大学微生物和细胞科学系从事博士后研究，2007-2009年担任该校科研助理教授。2010年起任职于中国科学院天津工业生物技术研究所。主要从事合成生物学与基因编辑等领域的研究，重点研究方向为应用合成生物学与代谢工程技术构建高效微生物细胞工厂，生产氨基酸、维生素、材料化学品和植物天然产物；开发基因编辑技术用于遗传疾病的基因治疗。在Nature Biotechnology、Nature Communications、PNAS、Advanced Science、 Metabolic Engineering、Green Carbon等期刊发表SCI论文110篇，被引5100余次；获授权中国专利56项，授权国际专利12项。开发出14个化学品的生物制造技术并实现技术转让，其中L-丙氨酸、L-缬氨酸、丁二酸和D-乳酸实现了万吨级产业化，共新增产值49亿元，L-丙氨酸技术支撑安徽华恒生物科技股份有限公司在科创板上市。以第一完成人获中国轻工业联合会技术发明一等奖、中国专利优秀奖和中国产学研合作创新成果奖。
原文链接
张学礼研究员与Green Carbon | 调控微生物细胞工厂还原力平衡，制造可再生化学品
Green Carbon
期刊官网：Green Carbon官网
投稿网址：Green Carbon投稿
公众号：Green Carbon公众号
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自GreenCarbon科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-3620330-1506361.html?mobile=1
收藏
