近期江南大学生物工程学院工业生物技术教育部重点实验室饶志明教授团队在系统生物学改造工业微生物高效合成2,5-二甲基吡嗪研究方面取得新进展。研究成果“Redistribution of Intracellular metabolic Flow in E. coli Improves Carbon Atom Economy for High-Yield 2,5-Dimethylpyrazine Production”在线发表于美国化学学会（ACS）《Journal of Agricultural and Food Chemistry》（Top期刊、SCI一区期刊，IF: 4.192 ）（J. Agric. Food Chem. 2021, 69, 8, 2576–2584）并被评选为封面论文（Front Cover）。
2,5二甲基吡嗪是一种重要的医药中间体和风味化合物，广泛应用于制药领域及食品添加剂领域。目前2,5二甲基吡嗪的合成主要采用传统的化学合成方法，但是化学合成法存在成本较高、伴随有毒副产物的生成及产品分离困难等缺点，对环境造成极大污染，也给其在食品领域的应用带来了很大的困难。而生物合成技术相对温和环保，合成的产物是天然的，更容易被广大消费者所接受，因此，2,5-二甲基吡嗪的生物合成技术也越来越受到众多数风味化合物生产企业的关注。然而，目前所报道的它的生物合成方式主要是利用枯草芽孢杆菌和大肠杆菌进行合成，其转化率很低，远远达不到大规模工业生产水平。近几年，有少数研究者通过基因操控手段改造2,5-二甲基吡嗪生产菌株，但是碳原子得率仍然处于极低的水平。
在该论文中，饶志明教授团队采用遗传操控策略对大肠杆菌细胞内代谢流进行重新分配，成功构建了碳原子得率显著提高的2,5-二甲基吡嗪细胞合成工厂。首先筛选最优来源的关键酶以促进酶催化反应过程，其次引入外源酶并通过表达调控该酶以促进非酶催化过程，最后利用CRISPR-cas9阻断强竞争碳流分支代谢途径进而构建合适的底盘细胞，最终碳原子得率提高到30.2%，为目前报道最高水平。此外，本研究以L-苏氨酸为底物合成2,5-二甲基吡嗪，而L-苏氨酸目前广泛运用于食品、饲料以及医药行业，由于成本低廉，产能逐渐过剩，如今已经市场饱和，所以本研究通过构建高产2,5-二甲基吡嗪重组菌株，将低值化合物L-苏氨酸高值化，解决了产能过剩的问题，提高了经济效益。该研究为微生物高效合成2,5-二甲基吡嗪提供重要借鉴。
饶志明教授和张显副教授为论文的通讯作者，我校2018级硕士生杨晨为第一作者。上述研究得到了国家重点研发计划项目（2020YFA0908300）、国家自然科学基金（32071470）、（31500065），国家轻工技术与工程一流学科自主课题资助（LITE2018-06）等资助。
近年来饶志明教授团队以合成生物学科学理论为指导，在系统开展高效合成高值化合物细胞工厂构建及产业化方面取得丰硕成果，相关研究成果已发表在Science Advances（2020）、Nat Commun （2018）、 ACS Catal （2018）、Advanced Materials（2018）、Bioresour Technol （2021、2017）、Green Chemistry（2016）、metab Eng（2016）等本领域权威期刊。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.jafc.0c07408
日期：2021-03-12
