近期江南大學(xué)生物工程學(xué)院工業(yè)生物技術(shù)教育部重點實驗室饒志明教授團隊在系統(tǒng)生物學(xué)改造工業(yè)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(fā)表于美國化學(xué)學(xué)會（ACS）《Journal of Agricultural and Food Chemistry》（Top期刊、SCI一區(qū)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(yī)藥中間體和風(fēng)味化合物，廣泛應(yīng)用于制藥領(lǐng)域及食品添加劑領(lǐng)域。目前2,5二甲基吡嗪的合成主要采用傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法，但是化學(xué)合成法存在成本較高、伴隨有毒副產(chǎn)物的生成及產(chǎn)品分離困難等缺點，對環(huán)境造成極大污染，也給其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了很大的困難。而生物合成技術(shù)相對溫和環(huán)保，合成的產(chǎn)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(shù)也越來越受到眾多數(shù)風(fēng)味化合物生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)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(zhuǎn)化率很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)水平。近幾年，有少數(shù)研究者通過基因操控手段改造2,5-二甲基吡嗪生產(chǎn)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(xì)胞內(nèi)代謝流進行重新分配，成功構(gòu)建了碳原子得率顯著提高的2,5-二甲基吡嗪細(xì)胞合成工廠。首先篩選最優(yōu)來源的關(guān)鍵酶以促進酶催化反應(yīng)過程，其次引入外源酶并通過表達(dá)調(diào)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(gòu)建合適的底盤細(xì)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(yī)藥行業(yè)，由于成本低廉，產(chǎn)能逐漸過剩，如今已經(jīng)市場飽和，所以本研究通過構(gòu)建高產(chǎn)2,5-二甲基吡嗪重組菌株，將低值化合物L(fēng)-蘇氨酸高值化，解決了產(chǎn)能過剩的問題，提高了經(jīng)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(fā)計劃項目（2020YFA0908300）、國家自然科學(xué)基金（32071470）、（31500065），國家輕工技術(shù)與工程一流學(xué)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(xué)科學(xué)理論為指導(dǎo)，在系統(tǒng)開展高效合成高值化合物細(xì)胞工廠構(gòu)建及產(chǎn)業(yè)化方面取得豐碩成果，相關(guān)研究成果已發(fā)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(lǐng)域權(quán)威期刊。

 

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.jafc.0c07408