異丁醇是一種高品質(zhì)的汽油替代燃料，與傳統(tǒng)的乙醇燃料相比有很大優(yōu)勢：其能量密度高，接近于汽油；親水性低，能與汽油高比例混合；可以使用現(xiàn)有石油管道進行運輸?shù)。另外，異丁醇還是一種重要的大宗化工產(chǎn)品，主要用于生產(chǎn)潤滑油添加劑、表面涂料、粘合劑等復合溶劑、鄰苯二甲酸酯類增塑劑等，每年全球市場需求有50萬噸左右。
近幾年來，美國杜邦公司、Gevo公司、UCLA的James Liao教授等對異丁醇的生物制造進行了深入的研究。通過利用支鏈氨基酸的生物合成途徑和Ehrlich途徑，在大腸桿菌等模式生物中創(chuàng)建了異丁醇的生物合成途徑。然而以前的工作都是使用誘導型啟動子，導致生產(chǎn)菌株不穩(wěn)定；另外，由于異丁醇合成途徑需要使用NADPH作為還原力，而細胞在糖酵解過程中產(chǎn)生的還原力是NADH形式，這就存在還原力的供給類型與需求類型之間的不平衡問題，從而影響了異丁醇的最終產(chǎn)率。
中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所張學禮研究員課題組在構建大腸桿菌細胞工廠生產(chǎn)異丁醇方面進行了深入的研究；诮M成型表達的人工調(diào)控元件，通過無痕基因表達調(diào)控技術，對異丁醇合成途徑進行了精確調(diào)控，構建出組成型穩(wěn)定生產(chǎn)異丁醇的工程菌。在此基礎上，使用人工調(diào)控元件對轉(zhuǎn)氫酶基因pntAB和NAD激酶基因yfjB的表達進行組合調(diào)控，實現(xiàn)NADH到NADPH的高效轉(zhuǎn)化。厭氧條件下，異丁醇產(chǎn)量提高了80%，產(chǎn)率提高了39%，達到0.92 mol/mol，接近理論最大值。好氧條件下，異丁醇產(chǎn)量提高了28%，產(chǎn)率提高了22%；發(fā)酵24小時可以生產(chǎn)10.8 g/l異丁醇，產(chǎn)率為0.62 mol/mol。本研究表明轉(zhuǎn)氫酶和NAD激酶在提高NADPH供給方面存在協(xié)同效應。這種提高NADPH供給的策略對于需要NADPH為輔因子的產(chǎn)品合成具有重要的參考價值和指導意義。相關研究已經(jīng)在線發(fā)表在Metabolic Engineering雜志上。
天津工生所的博士研究生石愛琴為論文的第一作者。
