1,3-丙二胺生物基合成途径的设计和代谢工程菌株的构建

1,3-Diaminopropane is an important organic fine chemical intermediate and widely used in the pharmaceutical, perticide and dye industry. The chemical synthesis route for current 1,3-diaminopropane production requires acrylonitrile as the starting raw material, which is toxic and derived from non-renewable petroleum. To achieve green and sustainale development, bio-methods are urgent to be developed based on the new technologies of biology. Based on the principles of synthetic biology and metabolic engineering, this project proposes to construct metabolically engineered strains of Escherichia coli to produce 1,3-diaminopropane directly from glucose. This will be achieved through integration of a heterogeneous transamination-decarboxylation module into the industrial microorganism. The in vivo metabolic intermediate of E. coli, L-aspartic β-semialdehyde, which is involved in the biosynthesis of aspartate family amino acids, is used as the precursor for 1,3-diaminopropane biosynthesis. The biosynthetic efficiency of 1,3-diaminopropane is scheduled to be greatly improved by studying adaptivity of the heterologous module in the chassis cell and modifying the genetic targets revealed from studies on the effect of chemical production on the physiology and metabolism of the microbial host. This project will not only shed light on sustainable production of 1,3-diaminopropane in the near future, but also expand the theory and practice of synthetic biology in the field of biobased chemicals.

1,3-丙二胺是一种重要的精细有机化工中间体，广泛用于医药、农药和染料等行业。目前应用的1,3-丙二胺化学合成法以源自不可再生石油的剧毒丙烯腈为原料，为实现绿色可持续发展，亟待应用生物学新技术建立可再生的生物基合成法。本项目依据合成生物学和代谢工程的原理，在微生物大肠杆菌天冬氨酸族氨基酸生物合成途径中，以体内代谢物天冬氨酸半醛为前体，引入转氨-脱羧催化元件组成的外源功能模块，构建以葡萄糖为底物直接生产1,3-丙二胺的工程菌株；探讨外源模块与底盘细胞的适配性；研究微生物合成目标化合物后生理与代谢的应对规律，进而发掘遗传改造的靶点以提升菌株的生产性状。本研究的开展，不仅为今后1,3-丙二胺的可持续生产奠定基础，还将丰富合成生物学在生物基化学品合成领域应用的理论和实践。

生物基化学品以可再生的生物质为原料，采用生物炼制的方法进行生产，摆脱了对不可再生的化石原料的依赖。在化石资源日渐枯竭的背景下，利用“绿色途径”来生产生物基化学品成为全球共同关心的一个热点话题。合成生物学通过引入新的功能基因或元件实现重要产品生物合成，突破了传统的化学合成及生物合成的局限，为生物基化学品的制造开辟了一条全新、高效的途径。已报道的鲍曼不动杆菌等病源菌能天然合成极少量的1,3-丙二胺,但是病原属性限制了它们成为1,3-丙二胺的工业生产菌株。本项目设计并筛选了高效的C4天冬氨酸途径，依托大肠杆菌自身的天冬氨酸合成、磷酸化及还原催化元件，引入外源的天冬氨酸半醛氨基转移和2,4-二氨基丁酸脱羧元件，从而构建直接转化葡萄糖为1,3-丙二胺的大肠杆菌基因工程菌。在热力学上，外源引入的脱羧反应有利于代谢向目标产物合成的方向进行；针对脱羧酶这个途径关键酶，本项目搭建了基于pH指示剂的高通量测活方法，为发掘及筛选高催化活力的脱羧酶元件奠定了基础。此外，考虑到目标产物在工程菌株中的原位实时检测需求，本项目进一步应用合成生物学理念，搭建了基于转录因子的遗传编码生物传感器，用于监测胞内二胺水平及高产菌株的生物合成水平。上述途径设计模块化理念和方法，还拓展应用到聚酰胺单体化学品戊二酸的生物合成研究，人工设计的代谢途径及工程菌株获得了实验验证。上述研究工作表明，结合人工代谢途径的设计、途径中关键催化元件的优选以及代谢物生物传感器的应用，有助于提升目标产物的生物合成水平，从而为生物基化学品合成提供了多层面的合成生物学研究新视角。当然，已有工程菌株尚不足以面向工业应用，有待开展更多的深入的研发工作。我们期待本项目的相关研究思路和技术，也可对其他重要生物基化学品、医药品和材料的高效生物制造提供借鉴。