大肠杆菌的代谢工程用于分泌生成游离血红素

KAIST的研究人员已经定义了一种使用工程化的大肠杆菌(E.coli)菌株分泌产生游离血红素的新策略。他们利用C5途径，优化的下游途径和血液输出器构建了使用补料分批发酵产生细胞外血红素的重组微生物。这是使用工程化大肠杆菌细胞外产生血红素的第一份报告。

该策略将加速游离血红素的有效生产，作为生物可利用的铁供应剂和用于医疗用途的多种血红素蛋白的重要修复基团。该研究由KAIST化学与生物分子工程系的Sang Yup Lee教授领导，于8月28日在Nature Catalysis上发表。

Haem是一种与亚铁离子络合的有机金属化合物，是在许多动物的血液中输送氧气的必需分子。它也是电子传递链的关键组成部分，负责呼吸包括多种细菌在内的好氧生物。它现在被广泛用作医疗保健和膳食补充剂行业中的生物可利用的铁供应剂。对血红素的需求和对这种化合物的有效生产的需求继续增长。

许多以前的研究人员试图用工程化的大肠杆菌生产免费的血红素。然而，没有一项研究成功地在细胞外产生游离血红细胞，需要额外的步骤从细胞中提取累积的血红素以供后续使用。血红素肽或蛋白质形式的血红素的分泌也需要提取步骤以将游离血红素与分泌的产物分离。因此，自由血红素的分泌产生是适合人类消费的血红素的经济生产的重要任务。

尽管一些研究人员可以使用重组大肠杆菌菌株产生细胞内血红素，但其最终滴度极低，这是由于使用了次优的代谢途径。此外，添加前体L-甘氨酸和琥珀酸酯被认为对于大规模工业生产是不合需要的。因此，有必要构建优化的血红素生物合成途径以使血红素的有效产生并检查随后的游离血红素的分泌。

为了解决这个问题，KAIST团队使用多种策略通过增强其在大肠杆菌中的生物合成来产生细胞外游离血红素。首先，检查C4和C5途径产生氨基乙酰丙酸(ALA)而不加入前体的能力。在确认C5途径优于C4途径的性能后，C5途径的代谢基因和血红素生物合成的下游途径被过表达。然后，通过调节相关基因的表达水平和破坏由yfeX基因编码的推定的血红素降解酶来优化代谢途径。

因此，所得的工程菌株向培养基中分泌了大量的血红素。随后的培养条件的优化和氮源的补充进一步增加了总游离血红素的滴度和分泌到培养基中的游离血红素的量。最后，编码血红素输出蛋白的ccmABC基因的过表达进一步增强了血红素的产生和分泌，从而在细胞内和细胞外从葡萄糖产生最高滴度的血红素。

李教授说：“生态友好和可持续的化学工业是每个国家面临的重要全球议程。我们正在进行生物合成高浓度，高产量和高生产率的天然产品的研究。这项新技术将作为一个推动生化行业向前发展的机会。“

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