3-羟基丙酸的合成路线及MCR-C蛋白的实验室进化过程

3-羟基丙酸，作为美国能源部公布的12种高附加值生物基平台化学品之一，结构的特殊性使其成为合成多种化合物的前体物质，利用廉价的生物质原料进行微生物合成3-羟基丙酸是代谢工程领域热门研究方向之一。中国科学院青岛生物能源与过程研究所大宗化学品团队近日在低成本高效生物合成3-羟基丙酸的关键技术上取得了突破。

来源于嗜热自养型古细菌Chloroflexusaurantiacus的双功能酶——丙二酸单酰辅酶A还原酶（MCR）是3-羟基丙酸合成新途径中的关键酶，自身具有醛脱氢酶和醇脱氢酶的功能，催化两步反应，将脂肪酸合成的前体物质丙二酸单酰辅酶A经中间体丙二酸半醛转化为3-羟基丙酸。科研人员通过对该蛋白序列的分析，将MCR蛋白成功拆分为MCR-C和MCR-N两部分，每个部分可独立催化一步反应。更为重要的是，拆分后的蛋白对底物丙二酸单酰辅酶A有着更高的亲和力，酶活力远高于野生型MCR，同时3-羟基丙酸产量也得到了一定提高。以往的代谢工程中，将催化相邻反应的酶构建融合蛋白来提高催化效率是一种常用方法，而该研究提出了拆分多功能域蛋白以提高催化能力和产品产量的新思路，对更好地利用功能蛋白尤其是多功能酶类具有普遍的参考价值。

将MCR拆分为两个片段后，研究人员发现细胞内MCR-C和MCR-N的催化能力严重失衡，是影响3-羟基丙酸产量的重要因素。为解决该问题，通过定向进化将MCR-C蛋白的催化效率提升15倍，通过对两个片段表达水平的精确调控实现了MCR-C和MCR-N的功能平衡，3-羟基丙酸的产量得到数百倍的增长。结合发酵条件的优化，以葡萄糖为唯一碳源时工程大肠杆菌的3-羟基丙酸产量由0.1g/L提升到40.6g/L，从根本上解决了该途径3-羟基丙酸产量过低的问题。该成果近日在生物技术期刊MetabolicEngineering上在线发表。

上述工作得到中科院、山东省自然科学基金重点项目等支持。