5-氨基戊酸合成功能模块的组装及人工生物系统构建

Bio-based production of polyamide from renewable feedstock is a promising and sustainable alternative to the petroleum-based chemical synthesis. 5-Aminovalerate as an important monomer of polyamide 5X, can be biosynthesized under the two-step enzymatic catalysis of lysine monooxygenase and δ-valeramidase. However, the 5-aminovalerate productivity is restrained by the enzyme activity and the low suitability between 5-aminovalerate biosynthetic module and chassis cells makes it difficult to improve the 5-aminovalerate production. In this project, the 5-aminovalerate will be biosynthesized through different synthetic modules using Corynebacterium glutamicum as a chassis cell. Two new modules for 5-aminovalerate biosynthesis are constructed through two steps of transamination and decarboxylation reactions, allosterism and reduction reactions, respectively. The efficiencies of synthetic modules for 5-aminovalerate were optimized using the promoter, RBS and DNA scaffold to regulate the expression of components. The artificial biological system for 5-aminovalerate synthesis will be optimized by means of the supply of precursor and co-substrate, cofactor balance and the metabolic bypass to improve the efficiency of 5-aminovalerate biosynthesis. This research will provide new biosynthesis routes for 5-aminovalerate and lay a scientific foundation to design a cell factory for the production of 5-aminovalerate or other monomers of polyamide.

5-氨基戊酸作为单体用于聚合生产尼龙 5X，性能优于尼龙66，应用于纺织、汽车、电子等领域。工业上只能通过化学法合成，仅有的生物法利用氧化水解途径将赖氨酸转化为5-氨基戊酸，但是酶的催化活性限制了合成效率，而且缺乏对合成网络的系统优化，导致无法实现高效合成。针对如何构建高性能合成模块及如何调控合成模块和底盘细胞适配性的关键科学问题，本项目通过筛选功能元件，设计组装具有不同催化机制的合成模块，研究元件的性能及调控方式对模块合成效率的影响，构建高性能合成模块。建立具有不同合成模块的5-氨基戊酸的人工生物体系，通过对合成前体、催化共底物、辅因子和代谢旁路途径的优化，提高5-氨基戊酸的人工生物体系的合成效率，构建高效的5-氨基戊酸人工生物系统。本项目将为5-氨基戊酸生物合成提供新的路线和方法，为生物基尼龙单体生产提供新策略。

5-氨基戊酸作为单体用于聚合生产尼龙5X，性能优于尼龙66，应用于纺织、汽车、电子等领域。工业上只能通过化学法合成，仅有的生物法利用氧化水解途径将赖氨酸转化为5-氨基戊酸，但是酶的催化活性限制了合成效率，而且缺乏对合成网络的系统优化，导致无法实现高效合成。针对如何构建高性能合成模块及如何调控合成模块和底盘细胞适配性的关键科学问题，本项目设计构建了具有不同催化机制的5-氨基戊酸合成功能模块，通过性能测评筛选获得了一条新的脱羧氧化合成模块，能够实现以赖氨酸为底物合成5-氨基戊酸。利用不同的启动子对合成功能模块中酶分子元件进行不同形式的组装，确定了合成模块中的关键限速酶。通过表征来源于不同菌种的关键酶分子元件的性能，获得了具有较高催化性能的酶分子元件。利用启动子和顺反子优化了合成模块中关键限速酶的表达丰度；设计不同的蛋白结合域与合成功能模块中酶分子元件进行融合，实现了合成模块中多酶的自组装。完成了对底盘细胞代谢网络的遗传修饰，包括阻断了分解和旁路代谢模块、重构了转运模块和优化辅因子合成模块，提高了合成模块和底盘细胞的适配性。通过将脱羧氧化模块和脱羧转氨模块进行耦合集成，大幅提升了5-氨基戊酸的合成效率。通过对催化条件的优化，5-氨基戊酸发酵罐催化产量达到45 g/L，摩尔转化率达到70%。本项目的完成为5-氨基戊酸生物合成提供了一条新的合成路线和方法，为生物基尼龙单体生产提供了新策略。