新合成生物学技术助力生物柴油生产

伯克利实验室网站,2012年04月06日

美国能源部联合生物能源研究所的研究人员取得新的研究进展，促进利用微生物生产绿色、清洁、可再生的生物柴油燃料 。

新技术——被称为动态传感器调节系统（dynamic sensor-regulator system ，DSRS）——可以在脂肪酸燃料或化学品生产过程中控制相关基因的表达，调节微生物体内的代谢变化。实验结果表明，利用此项技术，仪葡萄糖生产生物柴油的产量提高了三倍。

“DSRS是一个神奇有力的新工具，这是第一个能够在反应器内通过动态监控微生物代谢通路来提高脂肪酸燃料或化学品产量的合成系统”，世界合成生物学研究先导、此项研究的领导者、JBEI的首席执行官Jay Keasling称。

这项研究以“用于脂肪酸基化学品和燃料生产的动态传感器-调节系统设计”（Design of a dynamic sensor-regulator system for production of FAbased chemicals and fuels）为题发表在《自然-生物技术》上，劳伦斯伯克利国家实验室生物科学实验室副主任Keasling为该文章的通讯作者。联合作者为Keasling指导的JBEI燃料合成系的Fuzhong Zhang和James Carothers

人类对于可再生的、能以可持续方式生产的新型运输燃料的需求日益紧迫。科学研究一贯表明，如果能实现具有较高成本效益的商业化生产，那么从植物生物质生产的液体燃料将是传统燃料的最佳替代品。为此，主要研究聚焦脂肪酸生产——植物细胞中的能量富集分子，被视为天然石油。目前，脂肪酸不仅作为生物柴油原材料，还能够用于多种重要化学品的生产，包括表面活性剂、溶剂和润滑油等。

“利用微生物从脂肪酸中生产燃料和化学品，比化学合成更为绿色和可持续”，该文第一作者Zhang称。“然而，对于这些化学品生产来说，高浓度、生物量和产品产量是实现经济可行的生物燃料和低值大宗化学品生产至关重要的因素。”

产物合成过程中代谢不均衡会阻碍脂肪酸基化学品生产。

“基因表达度太低会阻碍生物合成，而表达度太高会改变代谢途径，使得本应用于目标化学品生产的底物合成一些不必要的酶或者中间代谢产物。”Zhang称。“此外，这些酶和中间的代谢产物的累积会对微生物产生毒性效应，降低微生物的生物量及其生产能力。”

利用合成生物学工具，已经开发出多种策略应对这一挑战，但当前的这些策略只能在基因表达水平进行静态控制。

“当把基因表达控制系统放置在生物反应器条件下，条件改变，控制系统将不会响应，产物合成也会受到影响”，Zhang称。

DSRS是在生物反应器合成过程中，通过对精心设计的途径中关键中间代谢产物的监测，对微生物代谢水平上进行响应。当反应器中条件变化是，DSRS可以调节控制这些中间代谢产物生产和累积的基因的表达，使其在能够实现最大目标产物产量的最优化的途径上进行代谢。

“生物自然演化出愈多可以用于监测生物中间产物合成的天然调节器，但是天然调节器很少能够满足工程化的途径，因为这些调节器只能用于支持宿主生存，而不是化学品的大量生产。”

为了创造DSRS，Zhang, Keasling 和Carothers采用JBEI的大肠杆菌工程菌株，直接从葡萄糖生产柴油。大肠杆菌天生具有合成脂肪酸的能力，且易于基因操纵，是生物燃料研究的理想系统。最新研究中，JBEI研究人员开发了一种脂肪酸合成过程中的关键中间代谢产物——脂肪酸辅酶A——的生物传感器，并开发了一套能够促进一组特殊基因表达的启动子，这些特殊基因会对胞内辅酶A水平产生响应。这些合成启动子只有脂肪酸和被称为“IPTG”的诱导物同时出现的时候才会被完全激活。

“对于严谨调控的能够使产量最大化的代谢途径来说，从启动子中淘汰渗透基因是非常关键的”，Zhang称。“由于我们的混合启动子在IPTG的诱导之前是被抑制的，其诱导水平会被FA/acyl-CoA水平调节，因此可以用于调节生物柴油和其他脂肪酸基化学品的生产。”

将DSRS导入到用于生物柴油生产的E.coli中，可以提高该菌株的稳定性，提高燃料的产量，理论上最大可以提高28%。DSRS同时可以用于微生物生产其他化学品。

“由于大量的天然传感器的存在，DSRS策略可以衍生到多种生物合成途径中，用于平衡代谢，提高产物浓度和产量，使生产菌株保持稳定”，Zhang称。“将来有一天，任何代谢途径都可以实现动态调节，不管天然传感器存在与否，使微生物能够在商业化规模上生产日用化学品和燃料。”

这项研究受到DOE科学办公室的支持，其中一部分由国家科学基金会（NSF）通过合成生物学工程研究中心（SynBERC）进行资助。