近期江南大學生物工程學院工業生物技術教育部重點實驗室饒志明教授團隊在系統生物學改造工業微生物高效合成2,5-二甲基吡嗪研究方面取得新進展。研究成果“Redistribution of Intracellular metabolic Flow in E. coli Improves Carbon Atom Economy for High-Yield 2,5-Dimethylpyrazine Production”在線發表于美國化學學會（ACS）《Journal of Agricultural and Food Chemistry》（Top期刊、SCI一區期刊，IF: 4.192 ）（J. Agric. Food Chem. 2021, 69, 8, 2576–2584）并被評選為封面論文（Front Cover）。
2,5二甲基吡嗪是一種重要的醫藥中間體和風味化合物，廣泛應用于制藥領域及食品添加劑領域。目前2,5二甲基吡嗪的合成主要采用傳統的化學合成方法，但是化學合成法存在成本較高、伴隨有毒副產物的生成及產品分離困難等缺點，對環境造成極大污染，也給其在食品領域的應用帶來了很大的困難。而生物合成技術相對溫和環保，合成的產物是天然的，更容易被廣大消費者所接受，因此，2,5-二甲基吡嗪的生物合成技術也越來越受到眾多數風味化合物生產企業的關注。然而，目前所報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行合成，其轉化率很低，遠遠達不到大規模工業生產水平。近幾年，有少數研究者通過基因操控手段改造2,5-二甲基吡嗪生產菌株，但是碳原子得率仍然處于極低的水平。
在該論文中，饒志明教授團隊采用遺傳操控策略對大腸桿菌細胞內代謝流進行重新分配，成功構建了碳原子得率顯著提高的2,5-二甲基吡嗪細胞合成工廠。首先篩選最優來源的關鍵酶以促進酶催化反應過程，其次引入外源酶并通過表達調控該酶以促進非酶催化過程，最后利用CRISPR-cas9阻斷強競爭碳流分支代謝途徑進而構建合適的底盤細胞，最終碳原子得率提高到30.2%，為目前報道最高水平。此外，本研究以L-蘇氨酸為底物合成2,5-二甲基吡嗪，而L-蘇氨酸目前廣泛運用于食品、飼料以及醫藥行業，由于成本低廉，產能逐漸過剩，如今已經市場飽和，所以本研究通過構建高產2,5-二甲基吡嗪重組菌株，將低值化合物L-蘇氨酸高值化，解決了產能過剩的問題，提高了經濟效益。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級碩士生楊晨為第一作者。上述研究得到了國家重點研發計劃項目（2020YFA0908300）、國家自然科學基金（32071470）、（31500065），國家輕工技術與工程一流學科自主課題資助（LITE2018-06）等資助。
近年來饒志明教授團隊以合成生物學科學理論為指導，在系統開展高效合成高值化合物細胞工廠構建及產業化方面取得豐碩成果，相關研究成果已發表在Science Advances（2020）、Nat Commun （2018）、 ACS Catal （2018）、Advanced Materials（2018）、Bioresour Technol （2021、2017）、Green Chemistry（2016）、metab Eng（2016）等本領域權威期刊。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.jafc.0c07408
日期：2021-03-12
2,5二甲基吡嗪是一種重要的醫藥中間體和風味化合物，廣泛應用于制藥領域及食品添加劑領域。目前2,5二甲基吡嗪的合成主要采用傳統的化學合成方法，但是化學合成法存在成本較高、伴隨有毒副產物的生成及產品分離困難等缺點，對環境造成極大污染，也給其在食品領域的應用帶來了很大的困難。而生物合成技術相對溫和環保，合成的產物是天然的，更容易被廣大消費者所接受，因此，2,5-二甲基吡嗪的生物合成技術也越來越受到眾多數風味化合物生產企業的關注。然而，目前所報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行合成，其轉化率很低，遠遠達不到大規模工業生產水平。近幾年，有少數研究者通過基因操控手段改造2,5-二甲基吡嗪生產菌株，但是碳原子得率仍然處于極低的水平。
在該論文中，饒志明教授團隊采用遺傳操控策略對大腸桿菌細胞內代謝流進行重新分配，成功構建了碳原子得率顯著提高的2,5-二甲基吡嗪細胞合成工廠。首先篩選最優來源的關鍵酶以促進酶催化反應過程，其次引入外源酶并通過表達調控該酶以促進非酶催化過程，最后利用CRISPR-cas9阻斷強競爭碳流分支代謝途徑進而構建合適的底盤細胞，最終碳原子得率提高到30.2%，為目前報道最高水平。此外，本研究以L-蘇氨酸為底物合成2,5-二甲基吡嗪，而L-蘇氨酸目前廣泛運用于食品、飼料以及醫藥行業，由于成本低廉，產能逐漸過剩，如今已經市場飽和，所以本研究通過構建高產2,5-二甲基吡嗪重組菌株，將低值化合物L-蘇氨酸高值化，解決了產能過剩的問題，提高了經濟效益。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級碩士生楊晨為第一作者。上述研究得到了國家重點研發計劃項目（2020YFA0908300）、國家自然科學基金（32071470）、（31500065），國家輕工技術與工程一流學科自主課題資助（LITE2018-06）等資助。
近年來饒志明教授團隊以合成生物學科學理論為指導，在系統開展高效合成高值化合物細胞工廠構建及產業化方面取得豐碩成果，相關研究成果已發表在Science Advances（2020）、Nat Commun （2018）、 ACS Catal （2018）、Advanced Materials（2018）、Bioresour Technol （2021、2017）、Green Chemistry（2016）、metab Eng（2016）等本領域權威期刊。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.jafc.0c07408
日期：2021-03-12
