아세틸포스페이트를 핵심으로 하는 합성 기계를 사용하여 탄소 수율을 향상시킵니다.

Nature Communications 14권, 기사 번호: 5286(2023) 이 기사 인용

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미생물 세포 공장에서 피루브산으로부터 아세틸-CoA를 생산하는 동안 CO2 방출은 탄소 원자 경제성을 크게 감소시킵니다. 여기서 우리는 대장균에서 Sedoheptulose-1,7-bisphosphatase Cycle with Trifunction PhosphoKetolase (SCTPK)라는 합성 탄소 보존 경로를 구축하고 최적화합니다. 이 주기는 일반 포스포케톨라제 Xfspk에 의존하며 포도당을 화학양론적 양의 아세틸포스페이트(AcP)로 변환합니다. 또한 AcP에 긍정적으로 또는 부정적으로 반응하는 유전 회로가 생성됩니다. SCTPK와 함께 Xfspk를 조절하는 유전자 대사 발진기와 세포 내 AcP 수준에 반응하여 AcP를 귀중한 화학 물질로 자율적으로 변환하는 효소를 구성하여 대사 플럭스를 합리적으로 할당하고 생물 전환 과정의 탄소 원자 경제를 개선합니다. 이 합성 기계를 사용하여 메발로네이트는 원래의 이론적인 수율보다 더 높은 수율로 생산되고, 말로닐-CoA 경로를 통해 가장 높은 역가와 3-하이드록시프로피오네이트의 수율이 달성됩니다. 본 연구는 미생물 세포 공장의 탄소 생산량을 향상시키기 위한 전략을 제공합니다.

최근에는 환경 친화성과 실용성으로 인해 원하는 화학 물질과 재료의 생물 생산이 탄력을 받고 있습니다. 미생물 세포 공장 설계 및 건설 공정에서 핵심 문제는 관심 제품에 대한 플럭스를 개선하고 탄소 원자 경제성을 극대화하는 것입니다1. 이는 특히 전 세계적으로 탄소 피크와 탄소 중립이 달성되는 상황에서 매우 중요합니다. 미생물의 모든 대사 네트워크의 핵심은 일반적으로 중앙 대사2라고 불리는 고유량 백본으로, 1차 입력 기질을 에너지로 변환하는 역할과 세포 고분자 생산을 위한 일련의 빌딩 블록을 담당하며 불변의 요소로 간주됩니다. 셀의 운영체제3. 따라서 살아있는 유기체를 진정한 생산적인 생물공장으로 전환하는 합성 기계를 구축하려면 생합성 경로를 독립형 단위로 최적화하는 것 외에도 성공적인 생명공학 접근 방식은 숙주의 내인성 대사 네트워크, 특히 중심 대사를 구부려야 합니다. , 생물생산 과정을 지원하기 위해4. 미생물에서 아세틸 조효소 A(아세틸-CoA)는 중추 대사 경로의 기본 대사물일 뿐만 아니라 산업적으로 관련된 수많은 제품의 전구체이기도 합니다5,6,7. 따라서 미생물의 중심 대사를 재작성하여 고탄소 원자 경제로 아세틸-CoA를 많이 공급하면 다양한 화학물질과 물질의 생물생산에 도움이 될 것입니다.

아세틸-CoA 수율을 향상시키기 위한 일반적인 전략은 경쟁 경로로의 탄소 흐름을 제거하고 중요한 효소를 과발현하여 아세틸-CoA의 충분한 생산을 보장하는 것입니다8,9. 이 접근법은 설계상 더 간단하고 단순하지만 실제로 대상 화학물질의 이론적인 탄소 수율을 증가시키지는 않습니다. 자연 미생물은 일반적으로 피루브산 탈수소효소에 의한 피루브산의 탈카르복실화와 함께 해당과정 경로를 통해 포도당을 아세틸-CoA로 전환하는데, 이때 포도당 1몰에서 2몰의 아세틸-CoA와 2몰의 CO2가 생성됩니다10. 이러한 CO2 방출은 표적 화학 생합성 경로의 원자 경제를 크게 감소시키며, 이는 미생물 탄소 대사 및 바이오정제에서 주요 탄소 손실을 나타냅니다11. 이 문제를 해결하기 위해 포도당을 화학량론적 양의 아세틸포스페이트(AcP)로 변환하는 합성 비산화성 해당작용(NOG) 경로가 개발되었으며(보조 그림 1), 이는 인산염 아세틸트랜스퍼라제에 의해 아세틸-CoA12로 추가로 촉매됩니다. 이 NOG 구성은 과당-6-인산염(F6P) 또는 자일룰로스-5-인산염(X5P)을 AcP 및 에리스로오스-4-인산염(E4P) 또는 글리세르알데히드-3-인산염으로 비가역적으로 전환시키는 것을 촉매하는 탄소 재배열 및 포스포케톨라제에 의존합니다. GAP) 각각.