大肠杆菌与合成生

在大肠杆菌内引入甲羟戊酸途径高效合成抗疟药青蒿素前体 紫穗槐 -4,11- 二烯 汇报人：马纳纳2012年 11月 2日合成生物学：n 一门生物学与工程学交叉的前沿学科 , 以 生命科学理论 为指导 , 以 工程学原理 进行遗传设计、基因组改造 ( 重组染色体 ) 和（或）合成以及人造细胞合成。其中 , 基因组改造 ( 重组染色体 ) 和（或）合成是关键。n 2010年 5 月 20日 , 以克雷格 文特尔为首的美国科学家 , 在 Science上公布了人类历史上创造出首个 “人造单细胞生物 ”的消息，以这项成果为代表的合成生物学 (synthetic biology, Synbio)也就受到了前所未有的关注。合成生物学如何创造生命n 用 A 、 G 、 C 、 T 为代表的化学物质人工合成DNA(脱氧核糖核酸 ) 片段 , 由 DNA片段合成基因 ,再由基因组合成生物模块 , 然后装配成 “人造基因组 ”, 最终在实验室里创造出全新生物体。合成生物学与大肠杆菌合成生物学中的底盘生物是合成生物学的 “硬件 ”基础。大肠杆菌 (Escherichia coli) 作为最简单的模式生物，由于其背景清晰、生长快速、易于操作，在基础生物研究以及生物技术应用方面有着其他模式生物无可比拟的优越性。n 大肠杆菌已经成为能源、化合物、材料及药物生产的重要平台，合成生物学的发展促进了大肠杆菌代谢途径的重建，通过精确设计基因环路、重构代谢途径为大肠杆菌提供了新的代谢和生理功能，使其能够高产天然甚至非天然产物。在过去的十年里，基于大肠杆菌的系统生物学得到了迅猛发展。大肠杆菌与青蒿素的合成青蒿素 (artemisinin) 是中国科学家于 20世纪 70年代从传统中草药青蒿或称黄花蒿 ( Artemisia annua L.)中分离提纯的抗疟有效单体 , 其化学本质是含有 “ 过氧桥 ” 结构(1,2,4- 三噁烷环 ) 的倍半萜内酯。n 以青蒿素为母核经人工半合成获得的青蒿素琥珀酸酯 ( 青蒿琥酯 ) 、青蒿素甲醚 ( 蒿甲醚 ) 、青蒿素乙醚 ( 蒿乙醚 )和双氢青蒿素等青蒿素类药物 , 血中溶解性好 , 生物利用度高 , 对氯喹抗性疟疾及致命性脑型疟有特效 , 已成为世界卫生组织 (WHO)倡导的 “ 基于青蒿素的联合疗法”(artemisinin-based combination therapies, ACTs)首选的抗疟新药。青蒿分布地域狭窄 , 青蒿素含量低 (0.01% 0.5%). 化学合成青蒿素产率不理想 , 成本高 . 随着全球疟疾发病率 (3.8 亿人 / 年 ) 和死亡率 (4600 万人 / 年 )逐年升高 , 青蒿素类抗疟药需求量迅猛增长 , 导致青蒿素原料药供不应求 , 市场价格飙升 . 近 10年来 , 为了从根本上解决青蒿素的供需矛盾 , 国内外争相开展了青蒿素合成生物学及代谢工程研究 , 一方面尝试在微生物体内重建青蒿素生物合成途径 , 另一方面对青蒿中原有的青蒿素生物合成途径进行遗传改良大肠杆菌与青蒿素前体大肠杆菌内存在以脱氧木酮糖磷酸 (Deoxyxylulose-5-phosphate ， DXP) 途径为基础的类异戊二烯代谢途径，能合成少量的辅酶 Q 等。故 大肠杆菌非常适合作为生物合成类异戊二烯化合物的宿主菌。n 本研究在大肠杆菌中引入人工合成的 紫穗槐 - 4,11- 合酶基因 并构建原核的粪肠球菌 Enterococcus faecalis 来源的 MVA途径 ，获得了抗疟药青蒿素前体 紫穗槐 -4,11- 二烯的高表达。n 这种微生物半合成青蒿素的方法 先通过改造微生物合成途径获得青蒿素的前体紫穗槐 - 4,11-二烯或青蒿酸等，再采用相对简单的化学催化步骤可将这些前体转化成青蒿素，可以大规模制备青蒿素，解决资源短缺问题。n 基本思路：n 首先在大肠杆菌 Escherichia coli DHGT7 中引入人工合成的紫穗槐 -4,11-二烯合酶基因，利用大肠杆菌内源的法尼基焦磷酸，成功获得了紫穗槐 -4,11- 二烯。n 为提高前体供给，引入粪肠球菌的甲羟戊酸途径，紫穗槐 -4,11- 二烯的产量提高了 13.3 倍，达到151 mg/L。n 进一步研究发现了 3 个限制酶，分别是紫穗槐 -4,11- 二烯合酶、 HMG-COA 还原酶和甲羟戊酸激酶；通过调节这些酶的水平，紫穗槐 -4,11- 二烯产量提高了 7.2 倍，在摇瓶中达到 235 mg/L。1. 载体构建、目的基因表达n 采用常用分子克隆技术，如 PCR 扩增、酶切、连接和转化等构建质粒表达载体 。n 将表达载体转化宿主菌 E. coli DHGT7 ，接入含相应抗生素 (Kn、 Cm 均为 25 g/mL) 的液体 LB培养基中， 37 培养至 OD600 =0.30.4 ，加入 0.2 L-阿拉伯糖诱导，继续培养 45 h 。取菌体全蛋白作SDS-PAGE 分析 ,以 pET28a 为对照。结果在约 56 kDa 处有可见的紫穗槐 -4,11- 二烯合酶 (ADS) 的条带 。 2. 摇瓶培养方法n 挑取新转化的单克隆，接入含相应抗生素的液体 LB 培养基中， 37 振荡培养过夜。n 取过夜培养菌液转接 40 mL 抗性 FM2G 培养基，使初始菌体浓度为 OD600=0.05， 37 、 220 r/min振荡培养至 OD600 为 0.30.4 时，加入 0.2 L- 阿拉伯糖或 0.5 mmol/L IPTG 诱导，并加入 20 ( V / V ) 无菌的十二烷覆盖在培养基的表面，随后转至 30 继续培养 4860 h。选取不同时间点测定菌体浓度和紫穗槐 -4,11- 二烯产量。 GC-MS法测定 AD含量 n 新转化的菌株 pET28-ADS/DHGT7 进行摇瓶培养，采用GC-MS法测定紫穗槐 -4,11- 二烯的含量。通过 GC检测，分别在 8.42 min和 8.83 min 出现内标物石竹烯 (IS) 和紫穗槐 -4,11- 二烯 (AD) 的保留峰 。n 根据内标石竹烯的浓度对样品 AD 含量进行定量，结果摇瓶培养 48 h 的紫穗槐 -4,11- 二烯产量仅为 11.3 mg 石竹烯当量 /L 。我们推测大肠杆菌内源的 FPP 水平太低，限制了紫穗槐 -4,11- 二烯的产量，因此提高胞内 FPP 水平是提高紫穗槐 -4,11- 二烯产量的关键。n 由于大肠杆菌仅存在 DXP途径，为避免对内源途径的影响，后面引入了异源的 MVA途径来提高前体供给。 3. 构建异源 MVA途径 n 以低拷贝质粒 pACYCDuet-1 的骨架为基础， PCR 扩增质粒 pET3b 的多克隆位点 (MCS)，并通过PCR 引物引入 Not 和 Apa 限制性酶切位点，将PCR 扩增的 MCS序列连接到 pACYCDuet-1 的 Sph 和 Eco R 之间，构建了具有特殊 MCS的质粒载体 pAOC3ANL，用于多基因合成途径的构建。 n 将粪肠球菌来源的 mvaE、 mvaS、 MD 和 ispA与ADS 分别构建在质粒载体 pAOC3ANL 和 pET28a上，得到表达载体 pAOC3-ES-MD 和 pET28-ispA- ADS，共转化 E. coli DHGT7 ，摇瓶培养 48 h ，紫穗槐 -4,11- 二烯产量达到 151 mg/L，是利用内源FPP的 13.3 倍。 4. 优化紫穗槐 -4,11- 二烯合成途径 n 将整个紫穗槐 -4,11- 二烯合成途径的基因构建到单个质粒载体 pAOC3ANL 上，得到表达载体 pAOC3-ES-MD-ispA-ADS ( 图 4），转化E.coli DHGT7，紫穗槐 -4,11- 二烯产量为 32.5 mg/L，仅为使用 2 个质粒共表达时的 1/5，菌体的生长也受到严重抑制 ( 图 5A) 。推断这是因为当使用 2 个质粒共表达时 ADS 是构建在高拷贝的 pET28a 上，而以单个质粒表达时 ADS 是构建在低拷贝的pAOC3ANL 上，间接地降低了 ADS 的拷贝数，使得胞内 FPP 累积，引起内源FPP 合成途径的反馈调控作用，从而抑制菌体生长。n 提高 ADS 的拷贝数，将pET28-ADS与 pAOC3-ES-MD-ispA-ADS 共转化 E. coli DHGT7，结果紫穗槐 -4,11- 二烯产量提高了4.3 倍，达到 140 mg/L ( 图 5B) ，菌体生长抑制也得到一定程度的缓解。n HMG-CoA 还原酶是类异戊二烯化合物生物合成过程中的关键酶，其活性不足会导致 HMG-CoA 在胞内累积产生毒性。因此，我们提高 HMG-CoA 还原酶水平，构建了表达载体 pET28-E-ADS，pAOC3 ES-MD-ispA-ADS 共转化 E. coli DHGT7 ，结果菌体生长抑制得到进一步缓解，紫穗槐 -4,11- 二烯产量也再次提高。 n 另外，提高胞内甲羟戊酸激酶 (MK) 的水平可以极大地提高紫穗槐 -4,11- 二烯产量。因此我们构建了表达载体 pET28-E-MK-ADS，与 pAOC3-ES-MD-ispA-ADS 共转化 E. coli DHGT7 ，结果紫穗槐 -4,11- 二烯产量达到 235 mg/L，是优化前的 7.2 倍，菌体生长抑制基本消除。结论n 本研究利用大肠杆菌为宿主，构建异源紫穗槐 - 4,11-二烯从头合成途径，并对合成途径进行优化，通过提高紫穗槐 -4,11- 二烯合酶、 HMG-COA 还原酶和甲羟戊酸激酶等 3 个酶的水平，消除了抑制菌体生长的不利因素，使紫穗槐 -4,11- 二烯产量达到 235 mg/L。继续对培养基和培养条件等进行优化，或通过上罐发酵，将获得更高的紫穗槐 -4,11- 二烯产量。这为高效生物合成抗疟药青蒿素前体 紫穗槐 -4,11- 二烯奠定了