近日，Metabolic Engineering在线发表了糖化学与生物技术教育部重点实验室刘龙教授课题组的研究成果“Synergistic improvement of N-acetylglucosamine production by engineering transcription factors and balancing redox cofactors” (Deng et al., 2021, Metab.Eng., 67:330-346)。江南大学2017级博士生邓琛为论文第一作者，刘龙教授为通讯作者。

对代谢途径中关键基因的转录水平进行调控是代谢工程常用策略，但该策略往往不能明显提高目标产物的效价，甚至导致工程菌株胞内碳/氮代谢网络和辅因子网络的失衡。全局转录调控工程通过采用具有特定功能的转录因子来激活或抑制特定代谢途径中多个基因的协同表达，从而可以有效提高目标代谢物的合成。同时，目标代谢产物合成途径中普遍涉及多种辅因子，而辅因子供应不足和辅因子不平衡等问题往往成为高效生物合成的重要瓶颈。因此，为实现目标代谢物的高效合成，平衡工程菌株的碳/氮代谢转录网络和氧化还原代谢网络是至关重要的。

针对上述问题，本研究团队首先验证了碳代谢的七种全局转录调控因子GlxR、RamA、RamB、SugR、LldR、FruR和GntR1对谷氨酸棒状杆菌产生GlcNAc的影响。结果表明，过表达RamA的重组菌株的GlcNAc产量提升最为明显，而高表达RamB、LldR和FruR的菌株的GlcNAc产量减少。因此，研究人员构建了RamA的A结构域（转录调控结构域）和B结构域（DNA结合结构域）的突变体库，并采用高通量筛选的方法从中筛选正突变体并进行组合突变。通过表达组合突变型转录因子RamAM，使得GlcNAc在摇瓶中的效价提高到16g/L，进一步通过转录组测序及ITC实验解析了突变菌株高产GlcNAc的原因。其次，研究人员在谷氨酸棒杆菌中开发了基于dCpf1的CRISPRi系统，还发现转录因子RamB、LldR、FruR以及AmtR对GlcNAc的产生具有负向调节作用，因此，研究人员将CRISPRi系统运用于干扰对GlcNAc合成呈现抑制作用的相关转录因子的表达，从而促进GlcNAc的效价进一步提高至27.5g/L；之后，由于细胞内辅因子代谢网络可以通过修饰目标产物合成途径中氧化还原反应相关酶的辅因子偏好性来平衡，研究人员通过数据库搜索和蛋白质结构序列比对，对GlcNAc合成途径中的关键酶甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）和苹果酸脱氢酶（MDH）的辅因子结合口袋附近的氨基酸残基进行了一系列突变。通过筛选发现突变体GAPDH N208R/F323S和MDHE47G/A51S具有有益效果，使GlcNAc在摇瓶中的效价提高到36.9g/L；最后，为了扩大了GlcNAc的生产规模，研究人员将重组谷氨酸棒杆菌在50-L发酵罐中进行放大生产，放大生产所得GlcNAc效价达117.1g/L，为对照组的6.62倍，与此同时，葡萄糖转化至GlcNAc的转化率也从0.19g/g提高到0.31 g/g。本研究所开发的一系列策略有助于优化细胞内碳氮代谢网络的全局转录水平以及细胞内辅因子水平，为重构微生物代谢网络和提高微生物细胞工厂的性能提供了新的方法和思路。

上述研究工作得到了国家自然科学基金(32021005, 31930085)、国家重点研发项目(2018YFA0900300, 2018YFA0900504)、中央高校基本科研业务费专项资金资助(JUSRP52019A)、山东省重点R&D项目(重大科技创新项目)(2019JZZY011002)等项目的资助。

图1 碳代谢转录因子过表达对谷氨酸棒状杆菌GlcNAc生物合成的影响

图2 RamA结构域的比对、分析与突变体筛选

图3 RamA A/B结构域相应突变体文库中正向突变体的筛选

图4 GlcNAc生物合成网络中相关基因表达转录水平的比较

图5 基于CRISPR/dCpf1的谷氨酸棒状杆菌基因调控系统

图6 氧化还原代谢网络的平衡

图7 50-L发酵罐中GlcNAc的放大生产