类胡萝卜素是一类代表性的萜类化合物，包括番茄红素、β-胡萝卜素、虾青素等。中国科学院天津工业生物技术研究所研究员张学礼带领的微生物代谢工程研究团队，前期在改造大肠杆菌生产类胡萝卜素方面有较好的研究基础，一方面通过对中央代谢途径的系统改造提高ATP和NADPH供给，解决萜类化合物合成途径中辅因子不足的问题；另一方面，通过细胞膜形态和细胞膜合成的改造提高大肠杆菌的细胞膜含量，解决萜类化合物在底盘细胞中的存储问题。
近日，张学礼研究组与中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所研究员杨琛合作，在萜类化合物通用前体合成途径改造方面取得新进展。萜类化合物的通用前体合成途径有两条，一条是MEP途径，另一条是MVA途径，这两条途径都能提供萜类化合物最关键的前体代谢物异戊烯焦磷酸（IPP）。大肠杆菌自身含有MEP途径，早期的研究发现，dxs和idi两个基因是MEP途径中的关键限速因子，然而目前对其它相关基因的研究较少，MEP途径中是否存在其它的限速因子还不清楚。该研究系统研究了MEP途径中其它5个基因（dxr, ispD, ispE, ispG和ispH）的表达量和β-胡萝卜素产量之间的相互关系。通过构建启动子文库分别调控这5个基因，研究细胞生长、β-胡萝卜素产量及代表性菌株相应基因的转录水平，发现ispG基因表达量与细胞生长以及β-胡萝卜素产量呈反比关系（见图）。MEP途径中间代谢物浓度测定发现IspG活性过高会导致其催化产物HMBPP积累；过表达ispG下游的ispH基因可以避免HMBPP积累，解除生长抑制，并将β-胡萝卜素产量提高73%。转录组分析发现，HMBPP积累会导致核酸和蛋白合成相关的基因显著下调，表明HMBPP是有毒的中间代谢物。该研究表明，ispG和ispH是MEP途径中另一个重要的限速步骤，它们需要协同表达才能发挥作用。该研究进一步明确了MEP途径的调控机制，对构建高产萜类化合物的细胞工厂具有普适意义。
研究工作获得国家自然科学基金、天津市自然科学基金和天津市科技支撑计划重点项目的支持，相关成果发表在metabolic Engineering上。
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中间代谢物HMBPP浓度和细胞生长以及β-胡萝卜素产量呈反比关系
