DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20170847

文章来源：《化工学报》2018年第69卷

第1期：272-281

动态调控元件及其在微生物代谢工程中的应用

武耀康，刘延峰，李江华，堵国成，

刘龙，陈坚

（江南大学糖化学与生物技术教育部重点实验室，江苏 无锡 214122）

摘 要

代谢工程是通过对代谢途径的设计、构建与优化，进行营养品、药品、生物燃料以及化工产品等各种生物基产品合成的关键技术。传统的改造策略如基因的敲除、弱化与过表达会造成代谢流的失衡，而利用微生物自身的调控方式和调控元件，构建合成调控元件，对代谢途径进行动态调控，可以平衡细胞生长与产物合成，从而实现高产量、高底物转化率与高生产强度的统一。利用微生物在转录水平对于外界环境以及胞内代谢物浓度的变化的响应机制，以及在转录后水平通过顺式及反式作用元件的调控，和在蛋白质水平通过途径酶的别构调节以及对蛋白质降解速率的调节，都能开发出相应的动态调控元件并对微生物的代谢进行动态调控。本文分别从转录水平、转录后水平及蛋白质水平3个层次总结了目前常见的一些动态调控元件，并对其在微生物代谢工程中的应用进行了介绍。

引 言

代谢工程自1991年被提出以来经历了飞速的发展，通过代谢工程改造得到的微生物菌种被广泛应用于功能营养品、药物、生物燃料以及化工产品的生产，合成生物学以及系统生物学的发展也为代谢改造提供了许多更为高效的工具与策略。但由于生物体中代谢途径错综复杂，传统的代谢改造手段如个别基因的敲除、下调或是过表达很容易造成代谢流的失衡，利用模块化代谢工程以及合成支架虽然可以对代谢流量进行更为合理的分配，但是这些改造策略都是对代谢途径的静态调整，对于代谢途径的修饰是恒定不变的。这些以提高目标产物转化率为导向的改造策略往往会对细胞的生长状况产生不利的影响，生产强度也会随之下降。微生物自身的代谢流量在不同代谢途径中的分配并非一成不变的，而是会随着胞内代谢物水平以及环境因素的变化而发生动态的调整。若能将微生物自身的调控方式加以修饰以用于微生物的代谢改造当中，实现对代谢途径的动态平衡与重构（图1），便能减轻对菌体生长产生的不利影响，从而达到高产量、高底物转化率与高生产强度的统一。动态调控元件作为动态代谢调控的执行者，它的合理选择与应用是对代谢途径进行有效动态调控的关键。本文将从转录水平、转录后水平以及蛋白水平3个层次总结目前典型的动态调控元件及其在微生物代谢改造中的应用，并对其未来的发展作出展望。

图1 代谢途径的动态调控

结 语

对代谢途径进行动态调控可以有效避免传统改造策略造成的中间代谢物积累、辅因子失衡和细胞生长受损等问题，因此具有广阔应用前景，表1总结了目前已报道的部分动态调控元件。微生物可利用转录因子、诱导型启动子以及某些环境响应系统控制相关基因的转录；也能够通过riboswitch、sRNAs或siRNA等调控元件控制mRNA的稳定性及翻译过程；还可以利用蛋白质的别构调节以及蛋白质降解系统控制途径酶的活性与稳定性。利用这些调控方式构建需要的调控元件，用以平衡细胞的生长和产物合成，可以有效地提高目标产物的产量、转化率与生产强度。然而，目前可以使用的动态调控元件非常缺乏，很多元件对代谢途径的依赖性较强，因此需要对其进行适当的改造以拓展其适用范围；同时还需对微生物自身的调控方式进行更为深入的挖掘，以开发出更多的动态调控元件；也可以利用合成生物学的方法，使用不同的调控元件构建逻辑线路，进行更为精细的调控。

表1 动态调控元件

1

转录水平调控元件

1.1 诱导物响应

图2 利用拨动开关动态调控异丙醇合成

1.2 胞内代谢物响应

图3 利用转录因子FapR动态调控脂肪酸合成

1.3 环境响应

图4 利用lux系统动态调控异丙醇合成

2

转录后水平调控元件

2.1 Riboswitch

图5 利用赖氨酸riboswitch动态调控赖氨酸合成

2.2 sRNAs

2.3 siRNA

2.4 CRISPR系统

3

蛋白水平调控元件

3.1 途径酶的别构调节

3.2 蛋白质降解调控

图6 利用tmRNA系统调控蛋白质降解返回搜狐，查看更多

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