大肠杆菌“消化”醋制成材料原料…实验室进化提升生产率
UNIST·POSTECH·韩国化学研究院开发环保化学原料伊康酸生产大肠杆菌菌株
通过基因缺失诱导紧缩反应反而提升代谢，《Bioresour. Technol.》刊登
一种进化技术已经被开发出来，通过诱导只有更能“消化”乙酸的大肠杆菌存活，从而提升其生产能力。
用这种方式获得的大肠杆菌，将乙酸转化为作为环保型黏合剂和塑料原料的伊康酸的能力提高了1.7倍。
由此为像运转“细胞工厂”一样利用大肠杆菌，稳定生产化学原料打开了新途径。
蔚山科学技术院能源化学工程系 Kim Donghyuk 教授团队与浦项工科大学 Jung Gyuyul 教授团队、韩国化学研究院 Noh Myeonghyeon 博士合作，开发出一株将乙酸代谢为伊康酸的能力平均提升1.7倍的大肠杆菌菌株，并于18日予以公布。
伊康酸是一种用于生物可降解塑料、医用黏合剂等的物质。当前一般采用霉菌发酵淀粉等方式进行生产，但这种方式既消耗粮食资源，生产成本也很高。
替代方案是使用食醋的主要成分——乙酸。乙酸可以通过多种化学工艺轻松获得，价格低廉，如果通过捕集二氧化碳再进行合成，还有望实现减碳效果。
但问题在于，菌体并不能很好地“消化”乙酸。由于毒性和代谢负担，大肠杆菌难以良好生长，伊康酸的生产效率也会大幅下降。
研究团队通过设定“伊康酸生成越多越能存活”的条件，让大肠杆菌发生进化。他们在大肠杆菌中插入了一种生物传感器，使抗生素耐受性基因的表达量会随伊康酸浓度变化而改变。随后逐步提高抗生素浓度并反复培养，这样只有大量生产伊康酸的大肠杆菌才能存活下来。
通过约50代的连续培养诱导实验室进化后，研究团队获得了与原始菌株相比，伊康酸产量和分裂速度均提高1.7倍的菌株。
此外，为了确认哪些遗传进化导致了生长和生产效率的提升，研究团队对其全基因组（DNA）和转录组（RNA）进行了分析。结果发现，进化后的大肠杆菌有相当于约3.1万个碱基对的基因组整体缺失，其中包含的两个基因的缺失被指是乙酸代谢和生长效率提升的原因。这一基因缺失会改变大肠杆菌的生理状态，诱导在压力环境下出现的“紧缩反应（stringent response）”。
第一作者研究员 Woo Jihun 表示：“紧缩反应一般在教科书中被描述为抑制细胞生长、减少资源消耗的机制，但在本研究中，它通过提高乙酸代谢效率，反而同时提升了生长和生产效率，呈现出了反转效果。”
实际上，在单独过度表达 relA 基因的实验中，也观察到了与进化菌株相同的生产效率提升。relA 是生成诱导紧缩反应的信号物质 ppGpp 的基因。
Kim Donghyuk 教授表示：“通过以进化为基础的分析方法论，我们重新解读了微生物的生理反应，获得了将原本被视为缺点的因素转化为优点的线索。这将有助于开发能够应对化石燃料枯竭之后时代的可持续化学材料生产技术。”
本研究在科学技术信息通信部韩国研究财团和海洋水产部海洋水产科学技术振兴院的支持下开展，并已于6月1日发表在国际学术期刊《Bioresource Technology》（《生物资源工程》）上。
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