丙酸代谢酶的酰基化修饰及红霉素合成前体供应研究

Erythromycin is an efficient natural broad-spectrum antibiotic widespread used in animal husbandry and medical treatment. Addition of n-propanol is the industrial way to improve the production of erythromycin by increasing the precursor(propionyl CoA) supply.Our previous work showed that the accumulation of propionyl CoA in Saccharopolyspora erythraea caused high acylation of enzymes involved in propionate metabolism, which repressed erythromycin synthesis. This study is based on the acylation regulatory mechanism, combines metabolic engineering technology with new analysis methods of high selectivity and sensitivity, and systematically studies the effects of acylation on precursors supply during n-propanol metabolism. The mechanism of protein acylation on propionate metabolites(propionyl CoA and malonyl CoA) and erythromycin production will be investigated by screening and analyzing the acylated propionate metabolic enzymes. Depend on which, the novel strategy will be established to eliminate the feedback inhibition of acylation, strengthen the synthesis of erythromycin precursors and cultivate excellent strains. This research will be of great benefit for the erythromycin fermentation industry as same as the metabolic engineering and synthetic biology.

红霉素作为一种在医药畜牧业抗菌治疗中具有重要作用的天然广谱抗生素，具有广泛的市场需求。工业上主要通过添加正丙醇增强红霉素合成前体--丙酰CoA供应的方式提高红霉素的发酵单位。我们研究发现，在红霉素生产菌红霉糖多孢菌中丙酰CoA的累积会导致丙酸代谢酶的酰基化水平升高，抑制红霉素合成。本项目基于酰基化调控机制，利用代谢工程技术和高选择性、高灵敏度的新型分析手段，系统研究正丙醇（红霉素发酵生产添加）代谢过程中蛋白质酰基化对红霉素合成前体供应的影响：筛选酰基化修饰的靶标丙酸代谢酶，分析酰基化对丙酸代谢酶的作用机制；研究丙酸代谢酶酰基化水平对丙酸代谢产物（丙酰CoA/甲基丙二酰CoA）及红霉素产量的影响；建立消除酰基化修饰反馈抑制的改造策略，强化前体供应及红霉素合成，实现优质工程菌种的培育和推广。本项目预期能够促进我国红霉素发酵产业的发展，为代谢工程改造和合成生物学领域提供模式参考和新思路。

本项目主要研究放线菌中正丙醇（红霉素发酵生产添加）代谢过程中蛋白质酰基化对红霉素合成前体供应的影响。以此为导向，项目执行期间已完成：筛选酰基化修饰的关键丙酸代谢酶，解析了酰基化对丙酸代谢酶的作用机制以及丙酸代谢酶酰基化水平对丙酸代谢产物（丙酰CoA/甲基丙二酰CoA）及红霉素产量的影响；建立了消除酰基化修饰反馈抑制的改造新策略，经评估，改造后的高产菌株红霉素产率显著提高了33%，其改造策略及成果具备一定产业化应用前景。.此外，还扩展研究了致病放线菌-结核病病原菌及其模式菌中的营养代谢调控与致病机理，探索可能的治疗新靶点。本项目较好的履行了研究计划和完成了预期的研究目标，在微生物Top期刊Mol Microbiol、ACS Synth Biol、J Bacteriol等发表SCI论文共计6篇，研究成果如下：.1.完成了工业微生物中翻译后修饰调控网络的构建，建立红霉素工业生产菌中酰基化修饰整合营养代谢、酰基CoA平衡、前体供应及合成的调控网络；.2.翻译后修饰代谢工程技术改造工业微生物，其中的创新点是提出了基于翻译后修饰代谢工程（PTM-ME）的改造新策略，实现了红霉素产量的显著增强；.3.致病微生物中翻译后修饰调控网络的构建，解析了结核病病原菌致病性与营养代谢调控的新机制。