清华大学陈国强教授团队：盐单胞菌中NADH/NAD+比例调控增强聚羟基脂肪酸酯产量

    PHA（聚羟基脂肪酸酯）是一种重要的可降解材料，包括聚3-羟基丁酸酯（PHB）、聚3-羟基丁酸酯-共-4-羟基丁酸酯（P34HB）和聚3-羟基丁酸酯-共-3-羟基戊酸酯（PHBV），它的生产有助于解决白色污染问题。清华大学生命科学院陈国强教授团队在2017年12月以一株从从新疆艾丁湖筛选的嗜盐菌盐单胞菌（H. bluephagenesis）发酵无需灭菌海水产PHA，成功实现年产百万吨中试生产。这株盐单胞菌细胞密度高，但在高密度细胞生长而引起的氧限制的条件下PHA积累的原理知之甚少。

     PHB的合成是从乙酰辅酶A开始到乙酰乙酰辅酶A，然后在乙酰乙酰辅酶A还原酶PhaB的作用下消耗一分子NADH或一分子NADPH转化为PHB的前体3-β-羟基丁酸酯辅酶A实现的（图1）。然而，大多数能够积累PHB的微生物利用的是NADPH依赖的PhaB，NADPH的产生很大程度上依赖于需氧的TCA循环，相反，NADH可以不需要考虑氧气的存在，通过多种途径产生。在本研究中，陈国强教授团队首次发现H. bluephagenesis在生产聚（PHB）时利用NADH而非NADPH作为辅因子，从而揭示了在氧限制下增强PHA积累的罕见情况。

图1 工程菌H. bluephagenesis中PHB，P34HB和PHBV合成的代谢途径

为了在氧限制条件下通过提高NADH/NAD+比例以增加PHA的积累，研究人员通过体内和体外两条途径进行改造。在体内研究人员通过阻断由etf操纵子编码的电子传递途径增加NADH的供应，使得PHB的积累达到H. bluephagenesis细胞干重的90%，野生型为84%。在体外，研究人员通过将乙酸与葡萄糖一起使用以平衡氧化还原状态，一方面通过乙酸代谢消耗积累的NADH以减少对丙酮酸代谢的抑制，另一方面能够增加PHB合成前体乙酰辅酶A，使得PHB积累达到94%。同时乙酸的加入使得共聚物PHBV中羟基戊酸（3HV）的比例从4％增加到8％，共聚物P34HB中的4-羟基丁酸（4HB）的比例从8％增加到12％。

研究人员通过系统调节H. bluephagenesis中NADH/NAD+比例的策略，进一步在氧限制条件下实现了PHA的积累和PHA中可控单体比例的增加，降低了能量消耗和放大试验的复杂性，而且NADH依赖性PHA积累过程为H. bluephagenesis作为下一代工业生物技术平台生物提供额外的节能优势，具有重要的实际意义。