平衡大肠杆菌代谢流量分配高效积累乙醇酸

Glycolic acid has been widely used in the industry. Previously, we constructed an engineered E. coli strain, able to produce 65.5 g/L glycolic acid. However, the cell growth and production of glycolic acid was not getting along with each other well and the productivity is still pretty low. Thus to solve the above problem, in this proposal, we will first study the carbon flux distributions and the accumulation of the reduced cofactors on different nutrients; Then, based on the above results, the pathways or nodes affecting the glycolic acid accumulation will be manipulated to balance the carbon flux distributions and the accumulations of reduced cofactors to produce more glycolic acid. After that, the population quality control (PopQC) will be employed to increase the ability of glycolic acid production by single cell to keep the genetics and metabolic ability stable. Through the above work, the engineered strain will both grow well and accumulate high amount of glycolic acid. Eventually, glycolic acid will be accumulated efficiently in E. coli.

乙醇酸（Glycolic acid；GA）是一种具有重要工业价值的羟基乙酸。前期，申请人通过代谢改造获得一株生产乙醇酸的大肠杆菌工程菌株，产量达到了65.5g/L。虽然该菌株具有较好的乙醇酸生产能力，但是表现出了严重的菌体生长和乙醇酸积累之间的矛盾，分析认为是由于工程菌强化了乙醛酸途径，打破细胞内代谢流平衡，TCA循环不充分而导致的。为了解决上述矛盾，本项目计划首先比较工程菌和野生菌胞内代谢流的分配情况，重点研究不同营养条件下碳流在TCA和乙醛酸途径中的分配以及还原力的过量积累情况；在此基础上，通过对关键节点代谢改造，表达外源氧化酶以及关键基因的精细调控，平衡胞内碳流分配以及还原力积累；此外，针对非遗传性的菌株不稳定性，通过构建基于群体质量控制系统（PopQC），对该工程菌的积累乙醇酸水平施加实时个体监控，保证工程菌维持代谢特征。最终实现乙醇酸的高效积累。

乙醇酸（Glycolic acid；GA）是一种具有重要工业价值的羟基乙酸。前期，申请人通过代谢改造获得一株高产乙醇酸的大肠杆菌工程菌株。但是该菌株存在乙醇酸积累和菌体生长不协调等问题。基于此，本研究通过敲除异柠檬酸脱氢酶（ICDH）并添加有机氮源平衡乙醇酸生产和菌体生长；转录组分析代谢网络关键节点，开展理性改造，实现乙醇酸合成过程的还原力平衡需求；利用组成型启动子5’-UTR序列取代IPTG诱导系统，选取不同转录强度的PUTR组建途径文库系统地优化乙醇酸合成过程，消除代谢途径中的调控瓶颈；基于乙醇酸生物传感器建立高通量筛选平台从多基因代谢途径文库中筛选最优菌株，从而快速平衡代谢通量。最终在不添加IPTG的情况下，在5 L发酵罐中乙醇酸产量可达到40.9±3.7 g•L-1。本研究促进了生物合成乙醇酸替代传统化学合成工艺，推动绿色化学经济的发展。