原儿茶酸脱羧关键酶挖掘改造优化儿茶酚生物合成

作     者：田立岩 李静 江小龙 宋国田 路福平 戴宗杰 李庆刚 王钦宏 TIAN Liyan;LI Jing;JIANG Xiaolong;SONG Guotian;LU Fuping;DAI Zongjie;LI Qinggang;WANG Qinhong

作者机构：天津科技大学生物工程学院天津300457 中国科学院天津工业生物技术研究所低碳合成工程生物学重点实验室天津300308 国家合成生物技术创新中心天津300308 

出 版 物：《生物工程学报》 (Chinese Journal of Biotechnology)

年 卷 期：2024年第40卷第9期

页      面：3057-3071页

核心收录：

学科分类：0710[理学-生物学] 081703[工学-生物化工] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 09[农学] 071007[理学-遗传学] 0901[农学-作物学] 0836[工学-生物工程] 090102[农学-作物遗传育种] 082203[工学-发酵工程] 0822[工学-轻工技术与工程] 

基　　金：国家重点研发计划(2018YFA0901400) 国家自然科学基金(32200063) 天津市合成生物技术创新能力提升行动(TSBICIP-CXRC-057) 中国博士后科学基金(2022M723339) 

主　　题：生物合成 全细胞催化 原儿茶酸脱羧酶 儿茶酚 

摘      要：儿茶酚(catechol,CA)是一种重要的化工和医药中间体,应用范围极为广泛。目前制备CA的方法是苯酚羟化法,但由于该方法存在对环境污染大、石化资源不可再生等问题,使得生物合成儿茶酚的方法逐渐受到关注。但受制于原儿茶酸脱羧酶的活性不够高且生物合成儿茶酚生产效率较低,难以满足大规模工业生产的要求。为了进一步提高儿茶酚生产效率,本研究首先对不同来源的21个原儿茶酸(protocatechuic acid,PCA)脱羧酶进行筛选,发现理研菌(Rikenellaceae)来源的RbAroY脱羧酶性能最好,含有该酶的全细胞生物催化剂ER11能够合成13.54 g/L儿茶酚。然后利用在线工具HotSpotWizard对该酶进行稳定性计算,选取自由能下降最多的10个潜在突变位点进行验证,发现含有突变子RbAroYG99A的全细胞生物催化剂ERT01能够催化合成15.16 g/L儿茶酚,较野生型产量提高12%。之后对生物催化条件进一步优化,以原儿茶酸为底物,全细胞生物催化剂ERT01能够催化合成25.70 g/L儿茶酚。最后,以3-脱氢莽草酸发酵液为底物,同时表达3-脱氢莽草酸脱水酶和原儿茶酸脱羧酶的全细胞生物催化剂DER03,催化合成29.55 g/L儿茶酚,为目前国内外报道的生物合成的最高产量。本研究为儿茶酚生物合成工业生产提供了重要参考。